Esta pequena "faísca" pode ajudar a desvendar a origem dos relâmpagos.

A ciência tem muitas vezes este efeito colateral feliz: quando uma experiência falha, abre uma porta inesperada. Foi o que aconteceu com Andrea Stöllner, cujos testes acabaram por conduzir a uma forma nova de investigar o que poderá ser a faísca inicial de um relâmpago - recorrendo a lasers e a uma única partícula microscópica.

Iniciação do relâmpago: um enigma no coração das nuvens de trovoada

Perceber como começa um relâmpago continua a ser um dos maiores mistérios da ciência atmosférica. Existem várias teorias para explicar o que desencadeia, no interior das nuvens, a cascata eléctrica que culmina no clarão e na descarga que vemos do solo.

Todos os dias, quase 9 milhões de relâmpagos iluminam a Terra, por vezes abrindo caminho em ziguezague através das nuvens por centenas de quilómetros nos casos mais extremos.

Ainda assim, apesar de conhecermos tão bem a física de objectos distantes nos confins do Universo, é surpreendente que permaneça por esclarecer o que, afinal, acciona um relâmpago dentro de nuvens a apenas alguns quilómetros acima das nossas cabeças.

Ao longo dos anos, os investigadores enviaram balões meteorológicos para medir condições dentro de cumulonimbos, fizeram voos de aeronaves através de tempestades, e usaram câmaras de alta velocidade e sensores para registar descargas - incluindo as reações fotonucleares que estas podem desencadear. Mesmo com este arsenal, a pergunta essencial mantém-se em aberto: como é que o relâmpago começa, exactamente?

Campo eléctrico nas nuvens: o que sabemos e o que não bate certo

Sabe-se que as nuvens de trovoada ficam fortemente carregadas. A explicação mais aceite aponta para um processo envolvendo cristais de gelo e um tipo de granizo macio conhecido como graupel: ao colidirem, as partículas adquirem cargas opostas e essas cargas separam-se, gerando um campo eléctrico.

O problema é que os campos eléctricos medidos no interior das nuvens parecem ser relativamente fracos - muito abaixo do necessário para transformar o ar num condutor no qual a corrente consiga fluir.

Em 2014, os cientistas do relâmpago Joseph Dwyer e Martin Uman resumiram a contradição desta forma: isto sugere que “ou há algo errado com as nossas medições, ou há algo errado com a nossa compreensão de como ocorrem as descargas eléctricas no ambiente de uma tempestade”.

Uma hipótese é existirem bolsas locais de campo eléctrico muito mais intenso que ainda não foram detectadas. Outra possibilidade, como Stöllner referiu ao portal ScienceAlert, é que os cristais de gelo consigam, de alguma maneira, gerar a primeira faísca necessária para iniciar a descarga.

Há ainda a hipótese dos raios cósmicos de alta energia: poderiam ionizar o ar, criando uma chuva de electrões livres que, em certas condições, acabaria por “bater” num relâmpago.

“Mas, por outro lado”, observa Stöllner, “também pode ser algo completamente diferente, ou uma mistura de todas essas coisas; nós não sabemos”.

Estas ideias sobre a iniciação do relâmpago circulam desde as décadas de 1950 e 1960, apoiadas sobretudo em observações e simulações computacionais - e, raramente, testadas com experiências laboratoriais directas.

Pinças ópticas e lasers: uma abordagem microscópica para estudar cargas

Stöllner não começou por tentar resolver o problema do início do relâmpago, mas a sua investigação acabou por apontar nessa direcção. Investigadora em física no Institute of Science and Technology Austria, liderou um estudo com uma equipa internacional sobre uma capacidade conhecida, mas ainda pouco compreendida, das pinças ópticas (pinças baseadas em luz): a de carregar partículas que ficam “presas” no feixe.

“Penso que este é um bom momento para voltar a esta questão, porque agora temos a tecnologia para o fazer”, disse Stöllner, doutoranda nos laboratórios do físico Scott Waitukaitis e da cientista do clima Caroline Muller.

No trabalho recente, Stöllner e colegas usaram lasers para aprisionar uma única partícula submicroscópica de sílica e quantificar a sua carga através do aumento da intensidade do laser. À medida que a partícula, inicialmente neutra, vai acumulando carga, ela passa a “tremer” devido ao campo eléctrico alternado associado ao laser.

As medições da equipa indicam que a partícula neutra de sílica provavelmente absorve dois fotões do laser, o que fornece energia suficiente para libertar electrões - deixando a partícula com carga positiva.

Descarga espontânea numa única partícula: um possível paralelo com o relâmpago

Durante estas experiências, Stöllner reparou também num fenómeno inesperado: por vezes, quando uma partícula era mantida presa durante semanas, ela, de repente, deixava de “tremer” tanto. Em termos eléctricos, seria uma descarga espontânea - e, se algo análogo acontecesse na atmosfera, poderia teoricamente iniciar algo muito maior, como um relâmpago.

“Não sabemos como isto acontece, mas, basicamente, a carga desce muito rapidamente”, explicou Stöllner. “Estamos muito interessados em perceber o que a provoca, e essa é, na prática, quase a mesma pergunta que a da iniciação do relâmpago - só que nesta escala minúscula, minúscula.”

A ligação ao relâmpago, para já, é altamente especulativa, pelo que Stöllner continua a estudar estas descargas e a testar se factores como o tamanho das partículas, a humidade ou a pressão influenciam o efeito.

“De certa forma, isto é uma limitação do nosso estudo, porque tudo é super pequeno e 10 electrões não fazem um relâmpago”, disse. “Mas, por outro lado, é uma forma de altíssima resolução para sondar esta carga e descarga de uma única partícula.”

Precisão “exímia” sem eléctrodos metálicos - e o que ainda falta

Dan Daniel, físico no Okinawa Institute of Science and Technology, no Japão, que não participou no estudo, afirmou ao ScienceAlert que a capacidade de aprisionar uma única partícula submicrométrica, carregá-la de forma controlável e medir a sua carga “com uma resolução exímia” é “genuinamente impressionante”.

Segundo Daniel, este é exactamente o nível de precisão necessário para, no futuro, investigar a electrificação de gotículas de água ou de partículas de gelo - um passo essencial para uma compreensão verdadeiramente microscópica do relâmpago, da electrificação das nuvens e da electricidade atmosférica.

O método descrito tem ainda uma vantagem de realismo: não depende de eléctrodos metálicos para medir a carga. Em vez disso, as partículas ficam a pairar no ar, mais próximas do comportamento de aerossóis na atmosfera. Stöllner acrescenta que também recorre a campos eléctricos mais fracos do que os usados em experiências laboratoriais anteriores.

Ainda assim, há ressalvas importantes. A iniciação do relâmpago é normalmente atribuída sobretudo a cristais de gelo nas nuvens - e esses cristais são entidades complexas e, por vezes, contra-intuitivas no modo como interagem.

Daniel sublinha igualmente que a luz solar que chega à atmosfera terrestre é muito mais fraca do que os lasers utilizados nestas experiências. No entanto, existe alguma evidência de que poeiras e aerossóis conseguem carregar-se sob radiação ultravioleta (UV) - provavelmente através de um processo de um único fotão, em vez de multipotónico, como o sugerido no sistema com laser.

Da electricidade atmosférica à ciência planetária: por que isto pode importar

O fenómeno de partículas carregadas por luz não é apenas uma curiosidade de laboratório. Um exemplo conhecido vem da Lua: o pó lunar, exposto a UV intenso e a ventos solares, também ganha carga e pode levitar, interferindo com rovers e instrumentos.

Por isso, o enquadramento experimental é relevante “não só para relâmpagos e electrificação das nuvens”, como disse Daniel, “mas também para problemas em ciência planetária e exploração espacial”.

Há ainda um impacto potencial mais próximo do quotidiano: modelos melhores sobre como se inicia a descarga podem, a prazo, melhorar a previsão de risco de trovoada e apoiar estratégias de protecção de infra-estruturas, desde linhas eléctricas a parques eólicos. Mesmo que o mecanismo observado numa partícula de sílica não seja, por si só, “a” origem do relâmpago, a capacidade de medir e controlar cargas a esta escala pode ajudar a separar hipóteses e a testar, com maior rigor, quais os processos que são plausíveis no ambiente real de uma nuvem de trovoada.

Um passo natural daqui em diante será transportar esta abordagem para materiais e condições cada vez mais atmosféricas: trabalhar com partículas de gelo, estudar a influência de diferentes comprimentos de onda (incluindo UV), e mapear como a humidade e a pressão alteram as probabilidades de carga e descarga. É precisamente nesta ponte entre o micro e o macro - entre alguns electrões e um fenómeno majestoso visível a quilómetros - que se pode esconder a chave do problema.

Publicação e nota de transparência

O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.

A investigação para este artigo foi parcialmente apoiada através de uma residência de jornalismo financiada pelo Institute of Science & Technology Austria (ISTA). O ISTA não teve qualquer intervenção no conteúdo da história.