Quala diferença entre Raios, Relâmpagos e Trovões?

by Beth Jet
Quala diferença entre Raios,
Relâmpagos e Trovões?
O Raio
É uma manifestação da natureza que acontece na colisão de nuvens com
cargas opostas ou entre nuvens e solo quando há um diferencial de
polaridade. Isso ocorre na superfície da nuvem ou do chão, assim sendo
nuvem-solo ou solo-nuvem e na maioria dos casos em que o raio é nuvemsolo essas descargas são negativas. Em média um raio possui: 125 milhões
de volts, 200 mil ampéres e 25 mil graus centígrados, lembrando que isso
é somente uma média não significa que todos os raios terão essas cargas.
O Relâmpago
É a visualização do raio, manifestado pelo feixe de luz que se vê cortando o
céu, acontece que a radiação eletromagnética emitida quando elétrons se
excitam por causa da energia elétrica. Quando ocorre o raio entre nuvens e
o solo a luz é gerada de baixo para cima.
O trovão
Constitui em uma onda sonora provocada pelo raio ao colidir no solo ou até
mesmo quando uma nuvem carregada de partículas positiva se colide com
outras contendo partículas negativas, assim provocando o raio e em
seguida tem a parte audível que é o trovão. Assim os raios geram duas
ondas, a que vem antes será uma violenta onda de choque supersônica,
com velocidade superior a do som, este barulho todo o ouvido humano não
consegue captar. A seguinte é uma onda sonora de grande intensidade e
que
percorre
grandes
distâncias.
by Beth Jet
Como são detectados Raios e Tempestades
O Laboratório STORM-T desenvolve pesquisas com o objetivo de entender os
processos físicos relacionados à formação e desenvolvimento de tempestades
atmosféricas. Para tanto, estes estudos são feitos a partir do:
a)monitoramento de descargas atmosféricas (rede de detecção de raios)
b)
análise
da
estrutura
3D
da
precipitação
(radar
meteorológico)
c) análise das propriedades dos hidrometeoros (medidas radiométricas na
faixa de frequência do infra-vermelho e microondas a bordo de satélite)
d) Caracterização das nuvens (aviões de micro-física das nuvens).
Em 1997 nasce a rede experimental de detecção de descargas atmosférica a longa distância,
"Sferics Timing AndRangingNETwork (STARNET)". A STARNET foi concebida pela Resolution
Display Inc (RDI) a partir do programa de desenvolvimento inovativo de pequenas empresas da
NASA . A RDI desenvolveu um sistema que consistia de cinco antenas rádio receptoras na faixa de
frequência de VLF (7-15 kHz) que estavam situadas ao longo da costa leste dos EUA e em Porto
Rico. Sferics é o ruído de rádio emitido por descargas atmosféricas dentro de uma grande faixa do
espectro eletromagnético.
Na faixa de frequência do VLF, este sinal pode se propagar a milhares de quilômetros de distância
dentro do guia-de-onda formado pela ionosfera e a superfície terrestre. Esta rede experimental
operou até 1998.
Em 2003, a National Science Foundation através do programa de Ciclo da Água financiou a compra
e a operação de 4 receptores de rádio sobre o continente Africano. Estes receptores foram
integrados com a rede de descargas atmosféricas - ZEUS do Observatório Nacional de Atenas
(NOA). Esta configuração possibilitou um contínuo monitoramento das tempestades sobre os
continentes Europeu e Africano até 2005.
Através de um projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) da Companhia Energética do Ceará
(COELCE) em 2006, a Universidade Estadual do Ceará (UECE) e a Universidade de São Paulo (USP)
instalaram duas estações de VLF no Brasil. No mesmo ano, a Universidade de Nevada em Las
Vegas financiou uma outra antena que foi instalada no Caribe. Estas 3 novas antenas foram
integradas com os quatro sensores da Africa em uma tentativa de incorporar todos os receptores
que dispunham da tecnologia de VLF-Sferics.
A partir de projetos de pesquisa da Universidade de São Paulo e Universidade Estadual do Ceará,
do Sistema de Proteção da Amazônia (SIPAM) e do Sistema Meteorológico do Paraná (SIMEPAR)
foram adquirido mais 3 antenas de VLF em 2008. Em Agosto de 2008 foi instalado uma antena em
São Martinho da Serra (RS) enquanto que em Dezembro de 2008 foi a vez de Curitiba (PR).
Dessa maneira, a rede STARNET está operando no momento 7 sensores de VLF que estão
instalados em Bethlehem (Africa do Sul), Guadeloupe (Caribe), Fortaleza (Brasil), São Paulo
(Brasil), Campo Grande (Brasil), São Martinho da Serra (Brasil) e Curitiba (Brasil) enquanto que no
primeiro semestre de 2009 a rede irá aumentar para 8 receptores de rádio, sendo que a nova
antena sera instalada em Manaus (Brasil). As antenas instaladas em Addis Ababa (Etiopia) e Dar es
Salaam (Tanzânia) serão transferidas para localidades no oceâno Atlântico de forma a auxiliar a
formação dos furacões.
Desde o lançamento da STARNET, a atividade de descargas atmosféricas sobre as Américas,
Caribe, oceâno Atlântico e parte do continente Africano tem sido monitoradascontinuamente em
diferentes resoluções espaciais (ex: 5-20 km dentro da área de cobertura e > 50 km fora da área de
cobertura dos sensores) e com um alta resolução temporal (1 mili-segundo).
Esta série de dados sem precedentes no estudo da convecção, apresenta uma oportunidade
original de avançar a pesquisa do ciclo da hidrológico nas regiões mais ativas da terra (África,
Amazônia e ZCIT). A disponibilidade de monitoramento contínuo da atividade elétrica em uma área
tão extensa, possibilitará aplicações em tempo real para as áreas de recursos hídricos (melhora da
estimativa de precipitação), meteorologia (melhora da previsão quantitativa de tempestades
convectivas com a assimilação contínua dos dados de descargas atmosféricas) e na segurança da
aviação (prever regiões com movimento vertical intenso em nuvens, onde um avião deve evitar).
Visão Geral do Sistema
A rede de detecção de relâmpago de longa distância, STARNET, é baseado na detecção de Sferics
- o ruído impulsivo emitido por um raio no espectro de freqüência de VLF (VLFVeryLowFrequency), entre 7 e 15 kHz. Na faixa do VLF, as ondas de rádio dos sferics se propagam
a milhares quilômetros de distância através do guia de onda formado pela superfície terrestre e a
ionosfera. A rede STARNET consiste de uma rede de sete sensores de VLF instalados no
continente Africano e Sul Americano e no Caribe, que medem continuamente o campo elétrico
vertical, que está temporalmente sincronizado por um GPS (Sistema de Posicionamento Global). O
sinal detectado por cada sensor representa formas de onda dos sferics e estas sérias são
utilizadas para o calculo da diferença do tempo de chegada (ATD) dos sferics a partir da
correlação temporal entre os diversos receptores de rádio. Cada ATD representa posições sobre a
superfície terrestre com a mesma diferença de tempo de chegada, e são representadas por
hipérboles. A intersecção destas curvas representa a localização de uma descarga atmosférica.
Atualmente a rede STARNET conta com 7 sensores instalados [Africa: Addis Ababa (Etiópia), de
Dar es Salaam (Tanzânia), de Bethlehem (África do Sul) e os receptores americanos estão
localizados em Guadeloupe (Caribe), e no Brasil em Fortaleza (UECE), Cachoeira Paulista (CPTEC)
e Campo Grande(UFMS)]. Este sistema foi desenvolvido pela Resolution Display Inc através do
projeto SBIR da NASA (contrato No:NAS5-32825), sendo que a primeira versão deste sistema foi
desenvolvido pelo Dr. Tony Lee do UKMet Office. A seguir são apresentados uma revisão do
instrumento e do software do sistema.
1. Hardware do Sistema
O hardware pode ser separado em duas partes: receptor e uma estação central de computação.
Um esboço simplificado deste sistema é ilustrado na Figura 1. Cada receptor consiste em uma
antena de VLF, um pré-amplificador, um gerador de pulsos sincronizados com o GPS e um
conversor Analógico/Digital (A/D), e um computador pessoal (PC), com acesso à Internet. A
estação central de computação funciona em um PC com alta capacidade de processamento, que
recebe através da Internet as medidas de campo elétrico de cada receptor (formas de onda). Na
Figura 2 é apresentado um esquema mais detalhado sobre os componentes da antena do receptor
que estão dispostos dentro de uma caixa selada. A antena fica instalada em um poste de PVC a
dois metros do chão e fica situada a ~ ±30 metros de construções para evitar ruído elétricos. O
sinal do campo elétrico em VLF observado é pré-amplificado e codificado por um conversor A/D,
enquanto é sincronizado temporalmente por um GPS. Os dados digitalizados no A/D são
transmitidos para o PC através de um cabo coaxial que executa um algoritmo de processamento
do sinal digital para remoção do ruído e identificação de candidatos prováveis a Sferics.
Posteriormente os dados são comprimidos e transmitidos à estação central pela Internet. O sensor
de VLF possui uma escala dinâmica de 10 dB com uma resolução temporal de 1 micro-segundo, e
1/2
ruído de fundo de 100 nanoVolts/metro/Hertz .
Figura 1. Visão geral da arquitetura do sistema.
Figura 2. Esboço dos componentes da antena do receptor.
2. Visão geral do Software
O software do sistema STARNET pode ser divido em dois componentes: o receptor e a estação
central.
2a. Receptor
Os algorítmos de processamento de sinal do receptor sãootimizados para separar sferics fracos e
distantes das interferências próximas do sensor. Um controle de qualidade do sinal é integrado
dentro do sistema, de forma a eliminar sferics com baixa qualidade os quais podem causar falsos
alarmes. A presente versão do software de recepção de sferics é capaz de detectar 130 sferics por
segundo. A banda de recepção do sensor é definida por um filtro-impulsivo-finito (FIR), filtro
digital que se extende por 4,1 kHz acima e abaixo da frequência central de 11 kHz. Cada forma de
onda dos sferics é capturada em janelas de 4.4 mili-segundos e compactada a +- 160 bits por
sferics Os dados compactados são acumulados em arquivos com duração de 16 segundos, e tem
um tamanho tipicode ~ 5-20 kBytes. Posteriormente, estes arquivos são armazenados e
transmitidos para a estação central.
2b. Estação central.
Uma vez que o dado chega na estação central, duas tarefas são realizadas: (i) descompactação e
correlação; e (ii) localização e otimização.
i) Na tarefa de descompactação, cada arquivo é descompactado e as formas de onda são
recuperadas.
A seguir os dados observados por cada receptor são comparados para a extração dos valores
correspondentes da diferença do tempo de chegada (ATD). Basicamente, o sinal das formas de
onda de dois receptores são analisados a partir da correlação-cruzada temporal.
A diferença de tempo entre as duas formas de onda que tiver o maior valor de correlação (>0.98)
define a ATD. Portanto, para cada combinação de sensores (combinação 2 a 2) calcula-se as ATDs.
No presente momento, o sistema STARNET dispõe de 7 sensores o que possibilita o cálculo de 21
ATDs. Como mencionado anteriormente, as ATDs representam posições sobre o globo na forma
de hipérboles, que representam a mesma diferença de tempo de chegada do sinal em cada
receptor. A intersecção entre estas ATDs define a posição de um sferics.
ii) Na segunda tarefa, a técnica da ATD é utilizada com o algorítmo principal de localização de
sferics.
Todas as ATDs de um mesmo candidato são avaliadas para estimar a posição e hora que ocorreu
um raio a partir de um ajuste de minímos quadrados ponderado que seleciona certas ATDs. O
algortimo compensa automaticamente as ambiguidades da correlação, um problema que aumenta
com prorrogações distantes. Este efeito é uma consequência da distorção do sinal elétrico que
viaja por diferentes meios até chegar no receptor e possíveis sferics que ocorrem ao mesmo
tempo.
Estes efeitos contribuem para distorcer as formas de onda e portanto criar vários picos ambiguos.
A otimização final leva em consideração estes erros em cada ATD de forma a estimar a localização
e é dependente da geometria da configuração da rede. Uma adequada avaliação destas
ambiguidades é extremamente importante, pois aumenta a acurácia do sistema e a eficiência a
longas distâncias.
by Beth Jet