Raios

Um raio dura em média meio segundo. Nesse intervalo de tempo, muitos fenômenos se combinam, principalmente físicos e climáticos, para resultar naquilo que vemos e ouvimos. Conforme eles variam, as descargas podem ser mais ou menos intensas. Algumas regiões do planeta têm maior tendência a produzir descargas elétricas atmosféricas.

As causas da eletrização das nuvens
De acordo com a teoria mais aceita, ela se eletriza a partir das colisões de partículas de gelo acumuladas em seu interior. Outra causa, que não exclui a primeira, estaria em efeitos resultantes da diferença de condutividade elétrica do gelo devido a diferenças de temperatura no interior da nuvem. Durante as colisões, as partículas de gelo perdem elétrons e transformam-se em íons.
Isso torna a nuvem eletricamente carregada. As partículas têm tamanho variado e, segundo medidas feitas por sondas meteorológicas, as menores e mais leves ficam com carga positiva e as maiores e mais pesadas (partículas de gelo denominadas granizo)com carga negativa. Alguns fatores como os ventos, a temperatura e força da gravidade fazem com que cargas de mesmo sinal se concentrem em regiões específicas da nuvem. Geralmente a parte inferior, a base da nuvem, e a parte superior ou topo da nuvem, são os locais de maior acúmulo de carga, de sinais contrários, funcionando assim como armaduras de um capacitor.

Alguns raios ocorrem associados a tempestades de poeira ou a nuvens formadas por vulcões ativos. Neste caso, acredita-se que os processos de eletrização sejam semelhantes aos descritos acima para nuvens de água.

A indução de cargas e a quebra da rigidez dielétrica
As cargas distribuídas na base e no topo das nuvens produzem um campo elétrico interno, denominado campo elétrico intra-nuvem. Além disso, com o acúmulo de cargas em sua superfície externa, a nuvem pode provocar uma indução eletrostática na superfície de outras nuvens ou no solo imediatamente abaixo (apesar das nuvens serem formadas por moléculas de água, portanto isolantes elétricas, a mobilidade de seus íons lhes confere um comportamento semelhante ao de um condutor). Neste caso cria-se um campo elétrico entre nuvens ou entre a nuvem e o solo.

Enquanto os choques das partículas dentro da nuvem se intensificam, a quantidade de carga em sua superfície aumenta e, conseqüentemente, o campo elétrico criado por essas cargas também se eleva. Com o aumento da intensidade desse campo, as moléculas de ar entre as partes eletrizadas sofrem polarização e se orientam de acordo com o campo elétrico. O efeito de polarização se intensifica com o aumento da intensidade do campo, até o ponto em que elétrons são arrancados das moléculas do ar. Este, dessa forma ionizado, se transforma em um condutor gasoso. Genericamente, o valor de campo elétrico que provoca ionização em um meio é denominado rigidez dielétrica desse meio. No ar, a rigidez dielétrica varia com as condições da atmosfera.
Quando o campo elétrico ultrapassa esse valor limite, diz-se que houve uma quebra da rigidez dielétrica do meio. Isso transforma o isolante em condutor. Como conseqüência, os íons negativos e os elétrons livres do ar são fortemente atraídos pelas cargas positivas presentes nas nuvens ou induzidas no solo, formando um caminho chamado de canal condutor. Assim sendo, o movimento de cargas negativas no canal condutor pode ocorrer tanto intra-nuvem como entre nuvens ou entre nuvem e solo. Em cerca de 90% dos casos as descargas elétricas se originam na base da nuvem, quase sempre eletrizada negativamente. Portanto, em geral, é uma carga negativa que inicia o processo de descarga elétrica atmosférica.

O movimento da Carga Líder

A primeira carga a se movimentar, na maioria das vezes vinda da base de uma nuvem, é a Carga Líder ou Líder Escalonado. É chamada assim porque desce em etapas ou escalas, em intervalos de tempo quase uniformes. Algumas cargas seguem novos caminhos fora do canal principal, criando ramificações em muitos pontos.
Isso porque há íons na atmosfera, distribuídos de maneira não uniforme, o que acaba por atrair ou repelir essas cargas para um lugar indeterminado. As bruscas variações de velocidade da Carga Líder produzem uma onda eletromagnética de freqüência superior à da luz visível, portanto não perceptível pelo olho humano. O movimento da Carga Líder é seguido por outras cargas provenientes da base da nuvem criando-se uma corrente elétrica denominada raio.

Líderes Conectantes e Descarga de Retorno

A Carga Líder, em geral negativa, aproxima-se de cargas positivas localizadas no solo ou nas nuvens. A carga acumulada no canal condutor produz um aumento na intensidade do campo elétrico entre as cargas, gerando uma nova quebra da rigidez dielétrica do ar. Por efeito dessa quebra, devido ao alto nível de intensidade desse campo, íons positivos são arrancados do solo (ou da nuvem para onde as cargas negativas se dirigem). Isto explica a afirmação: na maioria dos casos, a descarga elétrica ocorre do solo para a nuvem. A intensificação do campo elétrico provoca o surgimento de vários caminhos (canais) por onde esses íons se deslocam ao encontro da Líder.
Os íons positivos são denominados Líderes Conectantes ou Descargas Conectantes. No caso de descargas nuvem-solo, esse segundo rompimento da rigidez dielétrica ocorre quando a Líder está cerca de 10 m de distância do local de onde os íons positivos são arrancados. Essas cargas se encontram aproximadamente a meia distância do percurso. Assim se completa o canal do relâmpago. Todas as cargas negativas que seguem a Carga Líder movem-se através dos novos canais por onde passaram os íons positivos até alcançar os pontos de onde eles partiram. A descarga que saiu do solo continua seu movimento até a nuvem e passa a ser denominada Descarga de Retorno. Essa descarga ocorre com uma velocidade de cerca de um terço da velocidade da luz.
O relâmpago

As principais conseqüências das descargas elétricas atmosféricas (raios) são a luz (relâmpago) e o som (trovão). Os relâmpagos são produzidos basicamente pela radiação eletromagnética emitida por elétrons que, após serem excitados pela energia elétrica, retornam a seus estados fundamentais. Isto ocorre principalmente na Descarga de Retorno e por esta razão, no caso da descarga nuvem-solo, a geração da luz é feita de baixo para cima. A luz do relâmpago é bastante intensa devido à grande quantidade de moléculas excitadas.
Pode-se observar que as ramificações do canal são menos brilhantes pela menor quantidade de cargas presentes nessa região. A geração de luz dura cerca de um décimo de segundo. Portanto, os fótons produzidos no início da trajetória, apesar de chegarem primeiro na retina do observador, conseguem mantê-la sensibilizada até a chegada dos fótons provenientes do final da trajetória. Por isso, é comum se pensar que o canal se iluminou todo de uma vez ou ainda que o relâmpago caiu, vindo de cima para baixo, talvez por colocarmos a nuvem como nossa referência. Geralmente a luz do relâmpago é de cor branca, mas pode variar, dependendo das propriedades atmosféricas entre o relâmpago e o observador.

Relâmpagos múltiplos

Quando há apenas uma Descarga de Retorno, o relâmpago é classificado como relâmpago simples. Os relâmpagos múltiplos acontecem quando a nuvem não se descarrega completamente durante o primeiro raio. Neste caso, a cargas remanescentes se acumulam novamente na base da nuvem e o fenômeno se reproduz através dos mesmos passos descritos nesta seção. A Carga Líder poderá ser um Líder Contínuo (um líder que não desce em etapas e aproveita o canal que já existe), um Líder Escalonado (um novo líder formado quando todo o canal se desfaz) ou um Líder Contínuo-escalonado (se parte do canal se desfizer). A descarga de retorno será denominada Descarga de Retorno Subseqüente unicamente no caso do Líder Contínuo.

Para que aconteça mais de um relâmpago, tudo vai depender do tempo que a nuvem leva para se recarregar. A maioria dos relâmpagos é do tipo múltiplo. O número médio de descargas de retorno subseqüentes geralmente é de 3 a 5. O maior valor até hoje registrado foi de 42 descargas. É um erro comum pensar que um relâmpago nunca cai duas vezes no mesmo lugar. Sendo várias as descargas positivas ou Conectantes que saem do solo, se uma delas sair de um mesmo ponto (onde a primeira Conectante saiu) indo ao encontro da nova Líder, será possível que isso ocorra.

Assim como o Líder Escalonado, o Líder Contínuo é invisível.Por outro lado, na maioria dos casos, o Contínuo não possui ramificações. Sua Descarga de Retorno Subseqüente é menos brilhante que a primeira descarga e pouco ramificada. O Líder Contínuo-escalonado ocorre quando, durante a descida de um Líder Contínuo, o canal se desfaz e ele tem que mudar para Líder Escalonado para poder completar o caminho. A Descarga de Retorno Subseqüente, pode sair de um outro ponto do solo e seguir também um novo caminho, bifurcando o canal (vemos a figura de um ípsilon invertido). Quase 1/4 dos relâmpagos apresenta este efeito.

Raios nuvem-solo positivos

Os raios entre a nuvem e o solo também podem iniciar por Líderes positivos descendentes, correspondendo a movimentos de subida de cargas negativas (elétrons). A Descarga de Retorno resultante transporta cargas positivas da nuvem para o solo. Estes são os raios nuvem-solo positivos e no geral eles não se seguem de Descargas de Retorno Subseqüentes, sendo classificados como relâmpagos simples. Eles causam maiores danos do que os negativos. Muitos acidentes como incêndios em florestas e estragos em linhas de energia são causados por este tipo de raio.