Introdução à Estrutura Atmosférica

Introdução à Estrutura
Atmosférica – Parte 2
Ionosfera e Circuito Elétrico
Global
Ionosfera
A ionosfera é uma região ionizada pela radiação solar e
cósmica e também é conhecida como o eletrodo condutor
superior do circuito global.
O2
e-
+
O
A Ionosfera Terrestre foi dividida em várias regiões
conhecidas como: D, E e F (F1 e F2).
As ondas de rádio foram utilizadas para detectar as
camadas que “refletiam” as ondas que retornavam a
Terra.
A camada “E” foi a primeira
a ser detectada, e o seu
nome se deve a
reflexão do campo
elétrico
proveniente
das ondas de rádio;
Existe uma separação de regiões na
ionosfera devido à:
• Energia solar depositada em várias
alturas devido à absorção
característica na atmosfera;
• Da física de recombinação que
depende da densidade;
• Da composição da atmosfera que
muda com a altura (a secçãotransversal vertical de absorção varia
com a altura)
Concentração de Elétrons
dN
e

 q  
eff
N
2
e

dt
Intensidade de Radiação
dF



v
N
e
(z)F

dz
q é a taxa de produção de elétrons,
 eff é o coeficiente de recombinação efetiva
 v é a secção transversal de ionização
Ne concentração,
 cosseno do ângulo zenital
Processos de produção de Íons
Foto-Ionização
O2 + hv
 O2+ + e
 < 1027 Angstron
Carga-Troca
N2+ + O2
 O2+ + N2
Corona e Raio-X
Inter-troca de átomos-Ions
N2+ + O
 NO+ + N
Corona e Raio-X
Processos de Recombinação
Recombinação Dissociativa
O + hv
O2+ + e
NO++ e
Recombinação Radiativa
O+ + e
Inter-troca de átomos-Ions
O+ + O2
O+ + N2
O2+ + e
NO+ + e
 O+ + e
O+O
N+O
 O + hv
(F1)  < 911 Angstron
(E)
Processo bem devagar
 O2+ + O
 NO+ + N e depois ocorre uma
recombinaçao dissociativa
O+O
N+O
Resultados da Teoria de Chapman
Propriedades Elétricas da Atmosfera abaixo da Ionosfera
a)Condição de Bom Tempo – “Fair Weather”
Na baixa atmosfera, ou Troposfera, temos um estado de
quase equilíbrio eletrostático.
As cargas se movem em regiões onde igualam o momento
de carga que está sendo liberado pela região.
Condições de bom tempo são definidas como condições
atmosféricas sem a presença: tempestades, hidrometeoros,
ventos de areias, vulcões ativos e etc.
As condições de tempo bom podem existir na presença de
nuvens, mas neste casa o campo elétrico tem que ser fraco,
de forma a não gerar uma inversão de polaridade do campo
elétrico sobre a superfície.
b) Visão Simplificada da Estrutura elétrica da Terra:
Coulomb (1795) – Modelo de capacitor esférico:
•Parte inferior: superfície terrestre;
•Parte externa: alta atmosfera altamente condutiva;
•Parte interna: O Ar dentro sendo o Dielétrico;
Este capacitor esférico está carregado com
~ 5 x 104 C em cada camada.
Uma vez que o dielétrico é um fraco condutor (AR no nossa
caso), existe um vazamento de corrente que se propaga entre
as duas camadas (pratos) do capacitor.
Este “vazamento de corrente” poderia neutralizar a carga
da superfície terrestre e da atmosfera em ~ 10 minutos
Em 1920, Wilson propôs que as “tempestades” seriam
responsáveis pela produção da energia eletromagnética
(EMF) e que elas alimentavam a corrente elétrica que
carregava continuamente o capacitor – ou seja, carga
positiva movendo-se para cima e carga negativa para
baixo. Neste modelo, as correntes negativas para baixo
eram os raios. Dessa maneira, assume-se que os raios
mantém a carga negativa sobre a superfície da terra.
Esta distribuição de
cargas, mantém o
campo elétrico da
atmosfera, ou seja, o
campo elétrico de
condições de bom
tempo.
Em terrenos não montanhosos o Campo Elétrico tem
valores de ~-100 V/m, direcionado para baixo.
Sendo que o campo elétrico diminui com a altura a
medida que a condutividade aumenta.
De acordo com Gish (1944) o Campo Elétrico pode
ser descrito como:
Z(km) e E(V/m)
E(z) = -{ 81.8 e-4.52z + 38.6 e –0.375z + 10.27 e –0.121z }
Variações Diurnas e Sazonais das propriedade elétricas da
baixa atmosfera:
As expedições do barco “Carnegie” entre os anos de 1909
e 1921 realizaram medidas de campo elétrico e magnético
em todos os oceanos Atlântico, e permitiu compreender as
variações diurnas e sazonais de bom tempo
Ao todos, esta embarcação percorreu ~ 200.000 km em 7
cruzeiros e teve a sua ultima missão em 1928-1929, antes
de um incêndio que destruiu o barco.
Análise Clássica do Circuito Elétrico
Global
Curva de Carnegie
Area de Tempestades
Circuíto Elétrico Global
Acredita-se que a maior parte da energia elétrica das
tempestades é liberada na forma de relâmpagos.
Tempestades modestas produzem algumas descargas
elétricas por minuto e tem uma potência equivalente à
gerada por um usina nuclear.
Por exemplo, para um Raios temos:
I = 30 kA
E = 300 kV
Potência = I x E = 30 x103 x 300 x103 = 9 x 109 W (VA)
em 30 seg
Uma usina nuclear média produz 500 MW = 5x108 W
Circuíto Elétrico Global
A partir de análises de escala das Vannegut (1963)
observou que a potência liberada por uma descarga
elétrica era proporcional do tamanho da nuvem (e
altura) a quinta potência
Portanto, a duplicação das dimensões da nuvem eleva a
potência liberada em 3 vezes.
Tempestades elétricas enormes chegam a produzir 100
descargas atmosféricas por minuto.
• Existem de 1000 a
2000
tempestades
elétricas
ativas em
qualquer
instante na
Terra.
• 50-100 raios
por segundo
Distribuição vertical da corrente