Desvendando os fascínios do raio

Por Grasiele Maia
Edição 58 – Novembro/2010

Anos de pesquisa permitiram conhecer mais e melhor a descarga atmosférica, como e por que se forma e seu grau de incidência nas regiões brasileiras. Conheça um pouco mais sobre o raio e como as informações coletadas poderão agora interagir com o sistema elétrico.

O verão é provavelmente a estação mais aguardada do ano em quase todas as partes do mundo. No Brasil, a espera parece ser ainda mais intensa, considerando a geografia e a tropicalidade do País. É tempo de sol, de praia, de férias e, no caso do Sudeste brasileiro, é tempo também de chuva, de muita chuva. A grande preocupação é que, é justamente nesse período que há a maior aparição de descargas atmosféricas na região, que é recordista em incidência de raios.

Atualmente, o Brasil é o país que apresenta o maior índice de raios por ano – cerca de 60 milhões –, especialmente na estação mais quente do ano, entre os meses de dezembro e março. Em segundo lugar, está a República do Congo com 45 milhões de raios por ano e os Estados Unidos, em terceiro lugar, com a queda anual de 30 milhões de raios. No caso do Brasil, a justificativa pode estar associada à grande extensão territorial e ao fato de estar próximo à linha do Equador.

Um levantamento realizado pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe) entre 1998 e 2008 detectou que houve um aumento de 18% na incidência de raios no País e a tendência é que esse número aumente. Nesse sentido, um estudo iniciado em 2009, com previsão de término para 2013 pelo Grupo de Eletricidade Atmosférica (Elat) aponta que o aumento dos raios pode estar relacionado ao aquecimento global. Durante o século XX, a temperatura média do planeta aumentou 0,5 °C e, para o século XXI, a estimativa é que aumente de 2 °C a 4 °C. Esse salto na temperatura deve-se à quantidade de gás carbônico emitida na atmosfera, que impede a passagem da radiação solar rumo ao solo, provocando o efeito estufa. Se a temperatura do planeta continuar elevada, estima-se que o número de relâmpagos tenha um aumento de 10% a 20%.

Os fenômenos naturais como El Niño e La Niña também podem ter influência na ocorrência de raios. Enquanto o El Niño tem como característica o aumento da temperatura das águas do oceano pacífico oriental, o La Niña faz o trabalho inverso, as águas ficam mais frias. Ambos duram em média de um a dois anos, provocando mudanças na circulação dos ventos, nas temperaturas e, consequentemente, nos relâmpagos. Ainda não se sabem quais os mecanismos que possam influenciar no aumento dos relâmpagos, mas de certa forma a atividade solar altera a temperatura na estratosfera – segunda camada da atmosfera – que poderia ter impacto direto na formação das tempestades.

O futuro deve ter uma maior incidência de condições climáticas extremas, com tempestades associadas a altas quantidades de raios, intensas precipitações e fortes ventos. Nesse sentido, o Inpe, em parceria com a EDP, está dando início a um projeto buscando minimizar este impacto. Batizado de ClimaGrid, o programa pretende fazer que dados de vento, chuva, vegetação, raios e temperatura passem a fazer parte do sistema elétrico de forma simples e intuitiva (veja mais a seguir).

O raio

Misterioso, ele assusta e fascina. Já abordado no cinema, na literatura, na mitologia, o raio desperta a curiosidade de todos, pesquisadores ou não. Mais quente que a superfície do Sol, o potencial elétrico do raio é de 100 milhões de volts, o equivalente a 1 milhão de vezes a tensão de uma tomada residencial, e corrente elétrica de aproximadamente 30.000 A. Para se ter uma ideia, o chuveiro elétrico residencial opera com corrente de 30 A. Por se tratar de um fenômeno natural, as descargas atmosféricas são fontes de intermináveis pesquisas e intrigam cada vez mais os pesquisadores e outros interessados. Na obra literária Frankenstein, por exemplo, o raio desempenha papel fundamental. O escritor Mary Shelley descreve a história de um cientista que constrói a sua criatura a partir de tecidos mortos de um cadáver, e lhe confere vida com a ajuda de um raio. Também Hollywood cedeu aos encantos do fenômeno, quando em 1985, o diretor Robert Zemeckis lançou o filme “De volta para o futuro”, que conta a história de um cientista que inventa uma máquina do tempo ativada graças à energia de um raio.

Historicamente, as descargas atmosféricas estiveram sempre relacionadas à fúria da Terra contra o homem, como diversas mitologias sustentavam. Na mitologia grega, por exemplo, o raio era uma forma de Zeus – deus dos deuses – demonstrar sua ira, eliminando quem era contra seus desígnios. Os babilônicos, há cinco mil anos, também acreditavam que o deus Adad provocava trovões ao arremessar com uma das mãos um bumerangue e com a outra os raios. Os nórdicos, que viviam no norte da Europa, tinham como referência o deus do trovão e dos raios, Thor, que, com o movimento das rodas de sua carruagem, produzia o trovão e, ao arremessar seu martelo, produzia o clarão dos raios. Na Austrália setentrional, os aborígenes desenharam nas cavernas o que seriam os “irmãos raios” – guerreiros tribais que brigavam pelo amor de uma mulher. Quando seus machados de pedra se chocavam, as faíscas se tornavam raios e o ruído da luta eram os trovões. A história conta que o vencedor teve vários filhos raios, que aguardam o momento para serem lançados.

Minha terra tem raios que não tem nas terras de lá

Os primeiros registros brasileiros de raios foram realizados por dois jesuítas, na cidade do Rio de Janeiro, no ano de 1780, mas sem resultados efetivos. Algum tempo depois, em 1850, as pesquisas foram novamente incentivadas, graças a Dom Pedro II, que era fascinado pelos estudos relativos a raios.

Mais de um século depois, os estudos voltaram a ser retomados de forma mais aprofundada pelo Inpe. Entre 1979 e 1995, o instituto lançou na Região Sudeste do País balões na atmosfera para medir a carga elétrica das nuvens e dos relâmpagos. Esses balões, feitos de plástico resistente o suficiente para suportar a radiação ultravioleta do Sol, tinham o tamanho equivalente a um prédio de 20 andares. Nos primeiros experimentos, os balões comportavam apenas sensores, que objetivavam medir as cargas elétricas dentro das nuvens e dos relâmpagos. Os dados foram captados por circuitos eletrônicos e transformados em sinais. Após a codificação, os sinais foram gravados em microcomputadores para análises posteriores.

Em 1994, os balões foram lançados contendo câmera de vídeo e uma máquina fotográfica, tornando possível registrar com imagens o que acontece ao redor do balão. Entre as constatações, um curioso dado foi observado: 20% a 30% dos raios que atingem a Região Sul têm carga positiva. Esse valor é o dobro do percentual médio de raios com carga positiva que atinge todo o planeta. Vale ressaltar que os raios com carga positiva são mais destrutivos devido à sua força e por terem uma duração maior, quando comparados aos raios negativos. Uma possível explicação, segundo o Inpe, para a grande quantidade de raios com carga positiva é a alta concentração de nuvens que vêm da região da Antártica em direção ao Brasil.

Outra descoberta importante diz respeito às nuvens, que são mais complexas do que se imaginava. Elas seriam form

adas por diversas camadas de cargas, tendo, geralmente, base negativa e topo positivo. Como funciona? As descargas atmosféricas têm duas características principais: a intensa luz que marca sua passagem no céu e o som provocado pela expansão do ar aquecido, conhecido como trovão. A descarga atmosférica ocorre em um tipo especifico de nuvem, a chamada “cumulonimbo” – nuvem gigante que concentra em sua parte inferior cargas negativas e no seu topo cargas positivas. Essas nuvens têm um diferencial: são verticalmente mais extensas, se formam a dois quilômetros de altura do solo e se estendem em alguns casos até 20 quilômetros para cima.

A formação do raio acontece porque o ar quente e úmido que está no solo sobe para a atmosfera e durante essa travessia ele esfria, transformando-se em água e, posteriormente, em gelo. Sendo mais pesado que o ar, o granizo cai, mas até sua chegada ao solo ele se choca com outras partículas menores. Esse “choque” faz com que os granizos e os cristais de gelo fiquem eletricamente carregados. E, neste momento, ocorre outra divisão: os granizos que ficam com cargas negativas vão para a base da nuvem enquanto os cristais de gelo, que ficam com cargas positivas, vão para o topo da nuvem. No momento em que a quantidade de carga atinge uma alta concentração, ocorre o relâmpago (o clarão). Até esse momento tudo aconteceu dentro da nuvem, mas há uma parte dessa descarga elétrica que ocorre fora dela em direção ao solo. Antes de atingi-lo, cerca de 50 metros do chão, outra descarga elétrica positiva sai do solo em direção à nuvem e esse encontro, que dura cerca de 20 milésimos de segundo, gera a luz intensa que se forma no céu, que tem duração de 70 milionésimos de segundo. O raio gera uma diferença de tensão entre a nuvem e o solo de milhões de volts, alcançando 30.000 °C e pode trazer efeitos devastadores para a região atingida.

Os raios e suas consequências

A probabilidade de uma pessoa ser atingida por um raio é a mesma de se acertar no jogo da Mega Sena, isto é, de uma em um milhão. Na última década, o maior índice de mortes ocasionadas por descargas elétricas aconteceu em 2001, com 193 vítimas, e o menor ocorreu em 2004, com 93 casos. Recentemente, em 2009, foram registradas 131 mortes ocasionadas pelas descargas atmosféricas. Na opinião do coordenador do grupo de eletricidade atmosférica (Elat), Osmar Pinto Junior, 90% das mortes poderiam ter sido evitadas se as pessoas conhecessem as formas de proteção contra os raios e não subestimassem seu poder.

Em um documentário produzido pelo Discovery Channel, a especialista em acidentes com raios, a Dra. Mary Ann Cooper explica como ocorrem os acidentes fatais envolvendo os raios. A morte é causada por uma parada cardíaca no momento em que a pessoa é atingida pelo raio. “Até onde sabemos, o que acontece quando um raio atinge uma pessoa é que ele desce pelo ar, vê a pessoa como um tipo diferente de resistor, de objeto, passa por essa pessoa em uma fração de segundo e faz um clarão do lado de fora quase como uma explosão, isto é, a maior parte da energia passa provavelmente em volta da pessoa e não através dela”.

Para quem sobrevive ao impacto do raio fica a sensação de dormência e formigamento em algumas partes do corpo, como as pernas. “Frequentemente, a vítima acorda depois de ser atingida, ainda na área do acidente, e não pode se mover porque suas extremidades inferiores ficam paralisadas. Suas pernas, às vezes um braço ou ambos, ficam assim por um determinado período. Eles também podem relatar dor, dormência, formigamento, esse tipo de coisa. Isso provavelmente devido ao ferimento nervoso parassimpático”, esclarece a Dra. Mary Ann Cooper. Problemas como falta de equilíbrio, mudanças de humor e falta de memória podem ser uma das sequelas deixadas pelo raio.

Um alvo frequente das descargas atmosféricas são os campos de futebol. Historicamente, há diversos relatos de acidentes envolvendo o fenômeno. Em 1998, por exemplo, durante uma partida de futebol na República do Congo, na África, 11 jogadores de uma mesma equipe foram mortos ao serem atingidos por um raio. A comunidade comentou na época que os raios foram causados por bruxaria, já que nenhum jogador da equipe adversária foi atingido. Trinta espectadores também morreram queimados pelo raio que caiu no estádio de Bena Tshadi, na província de Kasai Ocidental. O jogo acabou empatado em 1 a 1.

Em 2008 aqui no Brasil, o zagueiro Gilvan, do Novo Horizonte, foi atingido por um raio em partida válida pelo campeonato goiano. Ele teve os primeiros atendimentos ainda no campo, por conta de dores nas pernas e com disritmia cardíaca. Foi levado para o hospital onde ficou em observação e depois liberado. A mesma sorte não teve o árbitro Celestino Cicotti Junior, que faleceu, em fevereiro de 2008, ao ser atingido por um raio, logo após apitar o gol da equipe de Monte Aprazível. Alguns jogadores chegaram a cair no chão devido à forte descarga. Na Dinamarca, em 2009, o jogador Jonathan Richter, de 24 anos, teve a perna amputada após ser atingido por um raio. Jonathan já havia sido atingido por um raio durante um jogo contra os reservas, semanas antes. Quem foi que disse que raio não cai duas vezes no mesmo lugar?

Os benefícios dos raios

Engana-se quem pensa que o raio ofereça apenas destruição. O químico norte-americano Stanley Miller demonstrou, em 1953, que os raios tenham formado, na atmosfera primordial, os primeiros aminoácidos – estrutura indispensável à formação da vida em nosso planeta. Ou seja, não fossem as descargas atmosféricas, talvez você não estaria lendo esta reportagem agora.

Além disso, outra vantagem dos raios está no fato de eles quebrarem as moléculas de nitrogênio e oxigênio, que se recombinam formando o óxido de nitrogênio, o qual, levado pela chuva para o solo, atua como fertilizante. Outra parte desse óxido de nitrogênio em reação com outras partículas mantém o equilíbrio da camada de ozônio. Se as descargas atmosféricas não existissem, esse equilíbrio seria abalado, deixando a camada de ozônio mais vulnerável e, consequentemente, aumentando a intensidade dos raios ultravioleta.

Proteção

Antes mesmo de Benjamin Franklin projetar o para-raio, civilizações históricas tinham suas próprias formas de proteção. Uma delas era o loureiro, um tipo de arbusto encontrado na região do Mediterrâneo. Acreditava-se que ele protegia as pessoas contra a ira dos deuses da tempestade e com isso seus ramos e folhagens eram utilizados na cabeça dos imperadores e generais romanos. Até o início do século XVIII acreditava-se também que o badalar dos sinos das igrejas durante as tempestades afastaria os raios. O resultado foi que centenas de tocadores de sino foram mortos.

Os soldados romanos durante o deslocamento das tropas tinham que manter a ponta das lanças voltadas para o chão para não atrair os raios. Tal tática foi provavelmente exigida após uma parte da tropa ter sido atingida pelas descargas enquanto caminhavam sobre o alto das colinas durante as tempestades.

Influenciados pelos portugueses do século XVI, a população do interior do nordeste brasileiro acreditava ainda que a pedra de raio ou pedra de corisco tinha o poder de proteção contra os raios, tanto para a pessoa quanto para as residências. Conta a lenda que a pedra era arremessada pela força meteórica do raio e que, por isso, era encontrada enterrada no solo. Os escravos africanos, que viviam na Bahia, a chamavam de pedra santa bárbara e acreditavam que ela também tinha poderes curativos.

Com o passar dos anos e o aumento da intensidade dos raios, foi necessário criar outras formas mais eficazes de proteção. E, embora haja diversos métodos de prote

ção contra descargas atmosféricas, na opinião do pesquisador e secretário da comissão de estudos que revisa a norma de proteção de estruturas contra as descargas atmosféricas, Hélio Sueta, ainda há uma grande desinformação no Brasil em relação aos métodos de proteção contra os raios.

O próprio para-raio tem definições equivocadas, já que muitos acreditam que sua função é literalmente “parar” o raio. O termo para-raio é geralmente utilizado tanto para componentes do Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA), indicado para proteger as estruturas contra os efeitos dos raios, por meio da constituição de pontos preferenciais de incidência para as descargas que atingem a estrutura. Além de captar a descarga, o SPDA direciona a corrente para o solo e é composto por elementos com funções distintas: subsistema de captores, de descidas e de aterramento (mais equalização de potenciais e definições de distâncias de segurança).

A normalização assume então papel fundamental no combate contra os raios. As normas técnicas objetivam garantir a segurança do profissional, e consequentemente do seu trabalho,  e uniformizar as diversas formas de conhecimento e prática. A norma técnica brasileira responsável pela proteção de estruturas contra descargas elétricas atmosféricas é a ABNT NBR 5419, que está passando por uma revisão, seguindo a IEC 62305 de 2006, e deve ser publicada em breve.

A primeira versão do documento foi criada em 1950 e teve como base as normas internacionais. Em 1970, a norma era chamada de P-NB-165 e tinha apenas seis páginas. Em 1977, foi feita a primeira revisão baseada principalmente na NFPA (americana) e na IEC. Após esse estudo, a norma passa a ser conhecida como NBR 5419, mas com o nome de “Proteção de edificações contra descargas elétricas atmosféricas”. Somente em 1993, já com a atual nomenclatura “Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas”, ela sofre uma grande reestruturação, já que passa a ser baseada apenas na IEC, contendo, inclusive, a restrição de capacitores que prometem promover a atração de raios, tanto radioativos como outros. O método de cálculo do número de descidas e as dimensões dos condutores utilizados no sistema também foram regulamentados. Em 2001, o texto normativo sofreu uma nova revisão e alguns aspectos foram corrigidos quatro anos depois.

Atualmente, a norma está em processo de revisão e deverá ser publicada em quatro cadernos – superando o número de 300 páginas. Entre as principais modificações estão a implementação da base de cálculos para a análise de riscos de perdas (vida humana, materiais, patrimônio cultural) e uma minuciosa análise de riscos. Na atual ABNT NBR 5419 há uma tabela que classifica, por grupos, os níveis de proteção para determinada estrutura. Segundo a IEC, não só a estrutura será analisada, como também os equipamentos, as intervenções internas e externas, outros tipos de proteção, como os referentes a incêndio e também os diversos tipos de efeitos das descargas atmosféricas (se ela atinge o edifício em questão ou não ou às linhas de serviços, tais como os de energia elétrica e os de telefonia).

Os avanços tecnológicos, a parametrização da norma brasileira com uma norma internacional e a falta de fiscalização nas edificações brasileiras foram fatores que influenciaram a revisão da norma.

De acordo com o diretor de desenvolvimento tecnológico do Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo (IEE/USP), o especialista Alexandre Piantini, o desenvolvimento de métodos de proteção mais eficazes passa necessariamente por uma evolução do conhecimento a respeito das características dos raios positivos e negativos. Isso incluiria uma avaliação sobre a variação estatística de parâmetros como a amplitude; o tempo de subida; a duração e a velocidade de propagação da corrente no canal da descarga; o número de descargas subsequentes por evento; o intervalo entre as descargas subsequentes, etc. Pesquisas com esse objetivo encontram-se em desenvolvimento em vários países e envolvem o uso de torres instrumentadas (isto é, equipadas com sensores para registrar as correntes dos raios que as atingem) e da técnica de indução de raios por foguetes. O primeiro raio induzido pela técnica de foguetes foi obtido a bordo de um barco em 1960, na costa oeste da Flórida, nos Estados Unidos. A técnica consiste em utilizar pequenos foguetes acoplados a um fio condutor, que se desenrola à medida que o foguete sobe na atmosfera em direção a uma tempestade. Quando o raio atinge o foguete, a corrente elétrica é direcionada para um ponto onde estão localizados instrumentos de medição.

Um importante avanço nessa área diz respeito aos sistemas de detecção e localização de descargas atmosféricas. Essas redes são compostas por antenas que captam os campos eletromagnéticos irradiados pelos raios e enviam os sinais para uma central de processamento, possibilitando a estimativa do ponto de incidência da descarga. Embora raios de baixa intensidade – ou que atinjam pontos fora da área de cobertura da rede – possam eventualmente não ser detectados, esse tipo de sistema permite o mapeamento das regiões com maior incidência de raios e um acionamento preventivo das áreas de manutenção das empresas de energia de modo a diminuir a duração das interrupções de fornecimento. No Brasil, temos a Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas (BrasilDat), que é a terceira maior do mundo, cobrindo atualmente cerca de dois terços do território nacional. A BrasilDat é o resultado da parceria de várias instituições, como o Inpe, o Simepar, Furnas e Cemig.

Esse e outros assuntos relacionados a descargas atmosféricas, envolvendo as pesquisas recentes e importantes a respeito do fenômeno físico, caracterização, técnicas de localização, aterramento e métodos de proteção, serão debatidos no XI Simpósio Internacional de Proteção contra Descargas Atmosféricas (XI Sipda). O evento será realizado em Fortaleza (CE) em outubro de 2011. Informações podem ser obtidas em www.iee.usp.br/sipda

A influência dos raios no setor elétrico

A incidência dos raios tende a aumentar nos próximos anos e o setor elétrico será um dos possíveis setores a enfrentar as consequências dessa tendência. Isso porque o aumento de tempestades e, consecutivamente, das descargas atmosféricas podem provocar grandes transtornos na rede elétrica, como desligamento de linhas de transmissão e danos a equipamentos, sobretudo, transformadores de distribuição. Segundo apontamentos do Inpe, no Brasil, cerca de 70% dos desligamentos na transmissão e 40% na distribuição são provocados por raios. “Nos últimos cinco anos, as tempestades que ocorreram em São Paulo, Taubaté, Mogi das Cruzes, Belo Horizonte, Vitória e Rio de Janeiro, entre muitas outras cidades, registraram mais de 1.000 raios em uma hora”, afirmou o coordenador do Elat, Osmar Pinto Junior.

Geralmente, o desligamento da linha de transmissão ocorre devido ao impacto direto da descarga sobre uma fase da linha, produzindo a quebra do isolamento e um curto-circuito na forma de um arco. “Isso ocorre porque 99% das redes brasileiras são aéreas e, desta forma, estão completamente expostas às condições climáticas”, acrescentou o especialista.

Para tentar amenizar os impactos, o Inpe e a EDP lançaram o projeto ClimaGrid, que tem como objetivo integrar à tecnologia das redes elétricas a inteligência das pesquisas científicas na área climática. Previsto para ser realizado no período de três anos, o projeto ClimaGrid pretende fazer com que dados sobre vento, chuva, vegetação, raios e temperatura interajam com o sistema elétrico. A ideia é colaborar com o sistema de smart grid (rede inteligente), que deverá ser implantado em todo o mundo, incluindo o Brasil.

O projeto vai integrar áreas como sustentabilidade, tecnologia da informação e as áreas de distribuição e transmissão de energia elétrica.