íNDICE     ATMOSFERA PÁGINA PRINCIPAL   PESQUISAS      CITAÇÕES ATMOSFERA - ELETRICIDADE ATMOSFÉRICA DADOS  ELETRICIDADE ATMOSFÉRICA COMPARAÇÃO ELAT-GOES   PÁGINA PRINCIPAL ANOMALIA MAGNÉTICA DO ATLÂNTICO SUL - AMAS

O presente artigo é sobre a pesquisa: ESTUDO DA PROPAGAÇÃO DE RÁDIO E DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NA REGIÃO DA ANOMALIA MAGNÉTICA DO ATLÂNTICO SUL - RADIOCIÊNCIA - CAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHO - Instituto de Aeronáutica e Espaço www.iae.cta.br - Convênio - 2002-2012- Plano Trabalho Progr Cientifico CRS UNIBEM.pdf - 121 KB Download CTA PLANO DE TRABALHO nov 2006.pdf - e113 KB Download - INSTITUTO DE FÍSICA ASTRONOMIA E CIÊNCIAS DO ESPAÇO - IFAE Publicado oficialmente nos seguintes endereços: 1 Biblioteca Central das FACULDADES INTEGRADAS ESPÍRITA; 2-Domínio Público MINISTÉRIO DE EDUCAÇÃO E CULTURA - MEC -  http://www.dominiopublico.gov.br/ (c) 1987 - 2016 - Professor Ângelo Antônio Leithold -  LEITHOLD, A. A. 

RESUMO

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   A presente Nota de Aula tem a finalidade de demonstrar a importância do estudo da Eletricidade Atmosférica em pesquisas de Fisica e Engenharia. O tema descreve as cargas elétricas na atmosfera da Terra e sua dinâmica de carga entre a superfície da Terra, a atmosfera e a ionosfera. Assim é feito o estudo preliminar do circuito elétrico atmosférico global. A eletricidade atmosférica é um tópico interdisciplinar com conceitos de eletrostática, física atmosférica, meteorologia e ciências da Terra. Seu estudo descreve as cargas elétricas na atmosfera da Terra, do movimento eletrônico entre a superfície da Terra, a atmosfera e a ionosfera. O objetivo do presente artigo trata de um estudo interdisciplinar que envolve conceitos de eletrostática, física atmosférica, meteorologia e ciências da Terra. 

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   No Brasil, o Grupo de Eletricidade Atmosférica - ELAT "é um departamento do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) que estuda os fenômenos eletromagnéticos na atmosfera. O ELAT é referência mundial em pesquisas sobre eletricidade atmosférica e é o primeiro grupo de pesquisa sobre raios criado no Brasil. Opera redes de detecção de descargas atmosféricas, como a BrasilDAT, a maior rede nos Trópicos e a terceira maior do mundo. O ELAT também monitora constantemente a ocorrência de descargas atmosféricas e repassa alertas para a população e para empresas de energia elétrica." (ELAT-2004)

INTRODUÇÃO

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   A eletricidade atmosférica envolve tanto as tempestades, que criam descargas atmosféricas com enormes quantidades de carga que se armazenam em nuvens de tempestade, quanto a eletrificação contínua do ar devido à ionização provinda da dinâmica solar, dos raios cósmicos e radioatividade natural, que garantem que a atmosfera nunca seja totalmente neutra. As cargas elétricas entre a superfície da Terra, atmosfera e ionosfera são consideradas circuito elétrico atmosférico global. As tempestades podem ser consideradas como formadoras de capacitores muito grandes, formados pela dinâmica atmosférica. Estes se carregam a partir eletrosfera para cerca de 400.000 volts em relação à superfície. Assim, são criados campo elétricos em toda a atmosfera, que diminui com o aumento da altitude. Os íons atmosféricos criados pela dinâmica solar,  raios cósmicos e radioatividade natural, se movem pelas linhas de campo elétrico e uma corrente muito pequena flui pela atmosfera. Perto da superfície da Terra, a magnitude do campo é em média em torno de 100 V/m, e podem se conduzir cargas positivas para baixo. Abaixo de 80 km, a atmosfera não é composta plasma, o movimento das partículas carregadas não é modulado pelas forças eletromagnéticas em larga escala, mas pelas movimentações intrísicas à atmosfera, como correntes de ar, vento, forças de Coriolis, movimentos de convecção, dentre outros. Conforme descrito anteriormente, a atmosfera é um condutor elétrico fraco e isotrópico em que ocorrem muitos fenômenos eletrodinâmicos. Tal condutividade do ar se torna cada vez mais fraca ao se aproximar do solo. Comparada ao ar no nível do mar, o solo é essencialmente um condutor perfeito, as descargas atmosféricas negativas nuvem-solo carregam a Terra negativamente, criando um campo elétrico mundial convencionado "tempo bom" que aponta verticalmente para baixo e agindo continuamente para descarregar o planeta. 

HISTÓRICO

A partir do final dos anos 1700, a chamada eletricidade atmosférica do tempo bom  era motivo de curiosidade científica. Não se sabia qual era a fonte do campo elétrico em larga escala e por que ele não foi rapidamente reduzido a zero pelas cargas no fluido condutor, e também se buscava por que o campo elétrico em larga escala não varria as cargas livres na atmosfera. Na época em que Benjamin Franklin pesquisava sobre os fenômenos atmosféricos, notadamente a eletricidade atmosférica e os raios, Le Monnier em 1752 demonstrou pela primeira vez que a atmosfera era eletrificada, mesmo em tempo bom. Existiam na época muitos estudos que apontavam os gases atmosféricos como fluidos condutores, ou que o ar, aparentemente era condutor de eletricidade.  Coulomb em 1795 descobriu que o próprio ar era condutor e que a carga em um condutor se dissipava no ar. Linss em 1887 percebeu que essa natureza fluídica condutora poderia cancelar o campo produzido pelas cargas elétricas. Porém, Elster em 1899, Geitel, no mesmo ano e Wilson em 1900 descobriram íons no ar, Victor Hess em 1911 pesquisou a eletricidade atmosférica e os íons radioativos no ar. Usando um balão, descobriu que a condutividade aumentava com a altitude em vez da redução esperada, levando assim à descoberta da radiação cósmica. Wilson em 1920 propôs que a terra era um condutor e as tempestades devem agir inserir carga negativa no solo e carga positiva na atmosfera superior, funcionando o sistema como um capacitor descarregando atraves de um dielétrico.

Os responsáveis pelo desenvolvimento do conceito de um circuito elétrico global foram Benjamin Franklin, William Thomson (Lord Kelvin) e CTR Wilson. Suas pesquisas perduraram por três séculos. Franklin enunciou a existência de um fluxo global de ar úmido e eletrificado, em que o ar quente e úmido circula dos trópicos às regiões polares. Sua conclusão era que o ar úmido fornecia eletricidade para a calota polar e se acumulava até que a atmosfera superior rarefeita descarregasse como aurora. 

Lord Kelvin postulou a teoria do potencial, que era ferramenta matemática que sustentava teoricamente um circuito global. Antes da ionosfera condutiva ser postulada por A. Kennelly e O. Heaviside em 1902, Kelvin entendeu o circuito solo/atmosfera como um capacitor esférico global, ele propunha um condutor externo em que o ar rarefeito da atmosfera superior era um isolante ruim em comparação com o ar da superfície e foram sugeridas medições do campo elétrico da Terra a partir de navios de pesquisa pela Carnegie Institution. Ele também realizou  medições de superfície do  gradiente potencial e verificou que a Terra tinha carga negativa e que o circuito global atingia seu pico no inverno, o que se mostrou errôneo com o avanço dos estudos. As observações de Wilson das variações de campo associadas a raios em nuvens apontaram para a polaridade das nuvens positiva no topo e negativa na base. As medições de correntes fluindo para a Terra durante períodos de tempo bom se mostraram eficientes. Ele efetuou também estudos sobre a propagação eletromagnética transoceânica em 1903, quando Marconi imaginou que poderia haver uma ionosfera condutora. As pesquisas de Wilson em 1920  levaram Whipple a comparar a variação do tempo universal (UT) do campo elétrico sobre os oceanos, ou "curva de Carnegie", com a variação diurna UT das áreas de descargas e consequentemente a descoberta de três zonas continentais tropicais ativadas sequencialmente pelo aquecimento superficial causado pelo Sol. A coincidência de fase entre as curvas confirmou a hipótese do circuito global, O. Gish e G. Wait em 1950 mediram a partir de um avião, correntes ascendentes ascendentes de tempestades, o que reforçou a hipótese do circuito elétrico global em que tempestades agem como baterias que conduzem a corrente para a ionosfera condutora, onde ela se espalha para retornar à Terra.

DESCRIÇÃO

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   Independente das condições atmosféricas, a eletricidade atmosférica está sempre presente, o ar acima da superfície da Terra é carregado positivamente, enquanto a carga da superfície da Terra é negativa. Isso pode ser entendido em termos de uma diferença de potencial entre um ponto da superfície e um ponto em algum lugar no ar acima dela. Como o campo elétrico atmosférico é direcionado negativamente em tempo bom, a convenção é se referir ao gradiente de potencial, que tem o sinal oposto e é cerca de 100 V/m da superfície e há uma corrente de condução fraca de íons atmosféricos se movendo no campo elétrico atmosférico, cerca de 2 picoamperes por metro quadrado, e o ar é fracamente condutor devido à presença dos íons atmosféricos. 

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   Os ciclos diários globais no campo elétrico atmosférico, foram pesquisados ​pela Carnegie Institution of Washington no século XX. A partir das pesquisas foi tabulada a variação da curva Carnegie, descrita na época como "o batimento cardíaco elétrico fundamental do planeta". Mesmo longe de tempestades, a eletricidade atmosférica pode ser altamente variável, mas, geralmente, o campo elétrico é intensificado em neblinas e poeira, enquanto a condutividade elétrica atmosférica é diminuída. O gradiente de potencial atmosférico leva a um fluxo de íons da atmosfera carregada para a superfície terrestre, sobre um campo plano em um dia com céu limpo, o gradiente de potencial atmosférico é de aproximadamente 100 V/m. Objetos que se projetam nos campos, por exemplo, flores e árvores, podem aumentar a intensidade do campo elétrico para vários quilovolts por metro. Essas forças eletrostáticas próximas à superfície são detectadas por organismos como abelhas e outros insetos. O gradiente de potencial atmosférico afeta a eletroquímica subterrânea e os processos microbianos também. 

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   Da camada da eletrosfera de dezenas de quilômetros acima da superfície da Terra até a ionosfera, ocorre uma alta condutividade elétrica com potencial elétrico constante. A ionosfera é a borda interna da magnetosfera e é a parte da atmosfera que é ionizada pela fotoionização,  é um processo físico no qual um fóton incide sobre um átomo, íon ou molécula, resultando na ejeção de um ou mais elétrons ou na recombinação iônica. A Terra é constantemente bombardeada por radiação solar e do espaço sideral, ela consiste principalmente de íons carregados positivamente de prótons de Hidrogênio e outros núcleos derivados de fontes fora do Sistema Solar. Essa radiação interage com átomos na atmosfera para criar uma chuva de radiação ionizante secundária, incluindo raios X, múons, partículas alfa, píons e elétrons. A ionização dessa radiação secundária garante que a atmosfera seja fracamente condutora, e um leve fluxo de corrente desses íons sobre a superfície da Terra equilibra o fluxo de corrente das tempestades. Os íons têm parâmetros característicos, como mobilidade, tempo de vida e taxa de geração, que variam com a altitude.

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   A diferença de potencial entre a ionosfera e a Terra pode ser mantida por tempestades, com raios transportando cargas negativas da atmosfera para o solo, e vice-versa. Colisões entre gelo e granizo macio dentro de nuvens cumulonimbus causam a separação de cargas positivas e negativas dentro da nuvem, essencial para a geração de descargas. As causas das descargas vão desde perturbações atmosféricas,  como correntes de ar, umidade e pressão atmosférica, até o vento solar e partículas energéticas. Um raio médio tem de 40 kA até 120 kA. Pode transferir uma carga de cinco coulombs e 500 MJ. A tensão depende do comprimento da descarga, que pode variar com o valor da ruptura dielétrica do ar, podendo ser de um a três megavolts por metro. A ocorrência do pulso de descarga inicial,  depende da ruptura dielétrica, campos elétricos ambientais além de outras variáveis como  pressão atmosférica e correntes de ar, além do gradiente de potencial dentro do canal de retorno e da sua ionização. Uma tempestade média, pode ter energia liberada equivalente a 10 GW.h ou 3,6x10¹³J.

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   As cargas atmosféricas podem causar acúmulo de potencial de carga indesejável nos sistemas de distribuição de energia elétrica suspensos. Linhas de transmissão de muitos quilômetros de extensão absorvem cargas eletrostáticas muito grandes, mesmo quando não há tempestade ou relâmpagos, esta carga buscará descarregar-se pelo caminho de menor isolamento. Para dissipar o acúmulo de carga atmosférica, um lado do sistema de distribuição elétrica é conectado à terra em muitos pontos por todo o sistema de distribuição a partir de dispositivos que permitem a descarga  em uma grade de proteção. A distribuição de corrente alternada segmenta o sistema de aterramento em loop's redundantes à terra. Esses sistemasevitam o acúmulo de carga nas LT em relação ao resto do sistema.

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   Independente das condições de clima, sempre há um potencial elétrico, o ar acima da superfície da Terra é em grande parte carregado positivamente, enquanto a superfície da Terra é negativa, porém, uma vez que a terra é neutra, em certas ocasiões o oposto também pode ocorrer. Independente das cargas, sempre existirá uma diferença de potencial entre um ponto da superfície e um ponto em algum lugar no ar acima dela. O campo elétrico atmosférico é direcionado mais negativamente em tempo bom, o gradiente de potencial, que tem o sinal oposto e é cerca de 100 V/m e é variável, dependendo da composição atmosférica. 

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   Conceitualmente, a corrente elétrica é um fluxo de partículas eletricamente carregadas em um material causado por um campo elétrico, dependendo das condições, elas podem ser eletrônicas ou iônicas. As partículas móveis carregadas que compõem uma corrente elétrica são chamadas de portadores de carga. Em diferentes substâncias, diferentes partículas servem como portadores de carga, em metais e alguns outros sólidos, alguns dos elétrons externos de cada átomo, elétrons de condução, são capazes de se mover no meio. Em eletrólitos e plasma, são íons, átomos ou moléculas eletricamente carregados e elétrons que são portadores de carga. 

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   Um material que tem uma alta concentração de portadores de carga disponíveis para condução, como um metal, conduzirá uma grande corrente com um determinado campo elétrico e, portanto, tem uma baixa resistividade elétrica. Uma substância que tem poucos portadores de carga, como vidro ou cerâmica, conduzirá muito pouca corrente com um determinado campo elétrico e tem uma alta resistividade, isso é chamado de isolante elétrico ou dielétrico. Toda a matéria é composta de partículas carregadas, porém nos isolantes as cargas negativas, os elétrons orbitais, estão fortemente ligadas às cargas positivas, os núcleos atômicos  e não podem ser facilmente liberadas para se tornarem móveis.

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   Quando um campo elétrico é aplicado a qualquer substância isolante, em uma certa intensidade de campo o número de portadores de carga no material aumenta repentinamente em muitas ordens de magnitude, então sua resistência cai e ele se torna um condutor. Isso é chamado de ruptura elétrica e o mecanismo físico que a causa difere conforme o meio. Em um sólido, geralmente ocorre quando o campo elétrico se torna forte o suficiente para atrair elétrons de valência externos para longe de seus átomos, e eles se tornam móveis, o calor criado por suas colisões com outros átomos libera elétrons adicionais. 

#professorangeloantonioleitholdnotasdeaula#py5aal   Em um gás, o campo elétrico acelera o pequeno número de elétrons livres naturalmente presentes, devido a processos como fotoionização e decaimento radioativo a uma velocidade alta o suficiente para que, quando colidem com moléculas de gás, eles retirem elétrons adicionais, ocorre assim a ionização que pode criar mais elétrons e íons livres em uma reação em cadeia chamada descarga de Townsend . Como esses exemplos indicam, na maioria dos materiais a ruptura ocorre por uma rápida reação em cadeia na qual partículas móveis carregadas liberam partículas carregadas adicionais.

NOTA DE AULA - ORIENTAÇÕES

Leia o texto introdutório, desenvolva um artigo sobre a Eletricidade Atmosférica.

REFERÊNCIAS PARA PESQUISAS

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fessor Ângelo Antônio Leithold é um físico, astrônomo, radioamador e educador brasileiro, conhecido por suas contribuições nas áreas de astrofísica, geofísica, neurofísica, eletrônica e pedagogia12. Ele se formou em Física pela Universidade Federal do Paraná (UFPR) em 1978, fez mestrado em Física pela Universidade de São Paulo (USP) em 1982 e doutorado em Física pela USP em 1987. Sua tese de doutorado foi sobre a propagação de ondas de rádio na região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul1. Leithold tem uma vasta experiência em pesquisa e ensino, tendo lecionado em diversas instituições, incluindo o Colégio Estadual do Paraná, o Senai e a Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). Ele também é autor de vários trabalhos acadêmicos e livros, e é conhecido por seu envolvimento com o estudo da Anomalia Magnética do Atlântico Sul, um fenômeno que afeta a propagação de ondas de rádio e a atividade solar na região12. O professor Ângelo Antônio Leithold é um físico, astrônomo, radioamador e educador brasileiro, conhecido por suas contribuições em diversas áreas científicas e educacionais. Ele se destaca principalmente nas áreas de astrofísica, geofísica, neurofísica, eletrônica e pedagogia12. Formação Acadêmica e Carreira  Graduação: Física pela Universidade Federal do Paraná (UFPR) em 1978. Mestrado: Física pela Universidade de São Paulo (USP) em 1982. Doutorado: Física pela USP em 1987, com a tese intitulada “Estudo da Propagação de Ondas de Rádio na Região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul Pós-Doutorado: Astrofísica pela Universidade de Brasília (UnB) em 19921.Contribuições e Pesquisas Leithold é autor de diversos trabalhos acadêmicos e livros, e suas pesquisas são amplamente citadas por outros pesquisadores. Ele é especialmente conhecido por seu estudo sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul, um fenômeno que afeta a propagação de ondas de rádio e a atividade solar na região12. Atuação Profissional Ensino Médio: Professor de física no Colégio Estadual do Paraná, onde lecionou por vários anos e participou de projetos pedagógicos e científicos. Ensino Técnico: Professor de eletrônica no Senai e no CEEP, desenvolvendo instrumentos e métodos para medir e analisar sinais eletromagnéticos. Ensino Superior: Professor de pedagogia na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), ministrando cursos sobre didática, metodologia científica e tecnologia educacional12. Outras Atividades Além de suas atividades acadêmicas, Leithold é um radioamador ativo, conhecido pelo indicativo PY5AAL. Ele também tem um blog onde compartilha suas pesquisas e experiências1. O indicativo PY5AAL pertence ao professor Ângelo Antônio Leithold, um radioamador brasileiro com uma vasta experiência e paixão pelo radioamadorismo. Ele é conhecido por seus experimentos com antenas e pela participação ativa na comunidade de radioamadores. Atividades e Contribuições Antenas: Leithold realiza experimentos com diferentes tipos de antenas, incluindo antenas NVIS (Near Vertical Incidence Skywave) e antenas Long Wire12. Ele compartilha suas descobertas e métodos de construção de antenas em seu blog e em sites dedicados ao radioamadorismo. Baluns Magnéticos: Ele também trabalha com a construção de baluns magnéticos, que são dispositivos usados para adaptar a impedância entre a antena e o transmissor, melhorando a eficiência da transmissão2. Comunidade: Leithold é ativo na comunidade de radioamadores, participando de eventos e trocando informações com outros entusiastas. Ele utiliza suas habilidades para contribuir com a ciência e a educação, aplicando seus conhecimentos em física e eletrônica. Recursos e Publicações Leithold mantém um blog onde compartilha suas experiências e pesquisas no campo do radioamadorismo. Ele também publica artigos e tutoriais sobre a construção e otimização de antenas e outros equipamentos de rádio3. O professor Ângelo Antônio Leithold tem várias referências acadêmicas e citações em diferentes áreas do conhecimento. Ele é citado em trabalhos sobre geofísica, astrofísica, eletrônica e educação, entre outros. Aqui estão alguns exemplos de onde suas obras e citações podem ser encontradas: Geofísica e Astrofísica: Leithold é frequentemente citado em estudos sobre a Anomalia Magnética do Atlântico Sul e a propagação de ondas de rádio1. Eletrônica e Radioamadorismo: Seus trabalhos sobre antenas e baluns magnéticos são amplamente referenciados em publicações técnicas e blogs especializados2. Educação e Pedagogia: Ele também é citado em artigos e teses sobre metodologia científica e tecnologia educacional3. Essas referências estão disponíveis em diversas plataformas acadêmicas e sites especializados, como Google Scholar, Academia.edu e em blogs pessoais do próprio professor123.