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Estudo no Japão confirma que os raios de tempestade disparam reações nucleares no céu



          Começou aquela chuvarada e você já sabe o que esperar: relâmpagos e trovões aos montes, e, talvez, uma infeliz queda de energia elétrica na sua casa. Porém, não só clarões e assustadores barulhos permeiam as nuvens nessas horas. Pode não parecer, mas violentas reações nucleares estão ocorrendo ali, produzindo variados isótopos, de acordo com um novo estudo conclusivo publicado na Nature desta semana!

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   RAIOS EM TEMPESTADES

           Os raios de tempestade sempre causaram fascínio na humanidade. Na Mitologia Grega, esses fortes clarões de luz seguidos de poderosos rugidos sonoros eram creditados ao Deus Zeus. Para os Vikings, esses raios eram produzidos por Thor à medida que o seu martelo se chocava com uma bigorna enquanto andava em sua carruagem sobre as nuvens. No Oriente, antigas estátuas de Buda mostram ele carregando um raio com flechas em cada ponta. Tribos de nativos norte-americanos na América do Norte acreditavam que os raios eram devido às penas brilhantes de uma ave mística cujo bater de asas produzia um barulho de trovão.

            Tipicamente, mais de 2 mil tempestades com raios estão ativas a qualquer momento na superfície terrestre, produzindo cerca de 100 clarões por segundo. A cada ano, esses eventos luminosos são responsáveis por cerca de 24 mil mortes, 240 mil danos corporais e milhões de dólares em danos materiais. Mas como esses energéticos e perigosos eventos ocorrem lá em cima nas nuvens?

           Benjamin Franklin foi o primeiro a mostrar que os raios de tempestade possuíam uma natureza elétrica através do seu famoso experimento com uma pipa, em 1752. Mas depois disso, pouco progresso foi feito para se entender em detalhes esse fenômeno até o final do século 19, com os avanços na área de fotografia e espectroscopia. A partir daí, fomos entendendo cada vez mais sobre esses poderosos rugidos luminosos.

            Bem, basicamente, dentro das nuvens de chuva existem crescentes e interativas partículas de gelo (chamadas de hidrometeoros) que começam a colidir entre si, fraturar e partir. Nesses choques, as partículas ganham cargas elétricas - positivas, ao perder elétrons, e negativas ao ganhar elétrons. Acredita-se que as partículas menores tendem a adquirir cargas positivas e, as maiores, cargas negativas. Essas partículas tendem a se separar sob a influência de fortes correntes ascendentes de ar e da gravidade. Geralmente a parte inferior - a base da nuvem - e a parte superior - ou topo da nuvem -, são os locais de maior acúmulo de cargas, de sinais contrários, funcionando assim como verdadeiras armaduras de um capacitor.

Raio visto em câmera lenta
          Essa separação de cargas produz enormes potenciais elétricos, tanto dentro das nuvens quanto entre as nuvens e o solo. 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). Podendo acumular milhões de volts no processo, a resistência elétrica do ar é finalmente quebrada e os relâmpagos (clarões de luz) começam - onde vários caminhos de condução são feitos no ar (ioniza-se), em que as cargas tentam encontrar as cargas opostas - à medida que as descargas elétricas acontecem entre os polos positivos e negativos. Nesse momento, cargas se movem pelos caminhos ionizantes criados (o ar agora é um condutor) à velocidades em torno de um terço da velocidade da luz, liberando enorme energia no trajeto (calor, luz, ondas sonoras) a partir da excitação de elétrons. Geralmente a luz do relâmpago é de cor branca, mas pode variar, dependendo das propriedades atmosféricas entre o relâmpago e o observador.


           Nesse sentido, podem ocorrer vários tipos de raios, os quais, basicamente são circuitos sendo fechados entre um lado positivo e um negativo. Entre os três principais temos:

1. Nuvem-Solo: É o mais destrutivo e perigoso tipo de raio, apesar de não ser o mais comum. É o mais entendido pelos cientistas. A maioria dos relâmpagos aqui se originam da parte mais baixa do centro de cargas negativas e entregam carga negativa para o solo, ou seja, ocorre uma movimentação de cargas positivas do solo em direção às nuvens (o relâmpago é criado de baixo para cima, a partir de uma 'Descarga de Retorno'). Em casos de significativa minoria, são as cargas positivas sendo carregadas para o solo. Também podem ocorrer relâmpagos múltiplos, quando o primeiro não é suficiente para descarregar a nuvem.

2. Intra-Nuvem: É o tipo mais comum, ocorrendo entre centros de cargas opostas dentro de uma mesma nuvem. Geralmente o processo toma lugar dentro da nuvem e cria uma imagem externa de brilhos difusos e trêmulos. No entanto, os clarões pode sair dos limites da nuvem e um canal luminoso - similar ao tipo nuvem-solo - pode ficar visível por vários quilômetros.

3. Inter-Nuvem: Como o nome implica, ocorre entre centros de carga em duas diferentes nuvens, com a descarga elétrica criando uma ponte na lacuna de ar entre elas.



          Detalhes do porquê uma descarga elétrica ocorre no interior da nuvem ou vai para o chão ainda não são muito bem entendidos. Talvez o raio se propaga em direção ao solo quando o gradiente do campo elétrico nas regiões inferiores da nuvem é mais forte no sentido para baixo.

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  GATILHOS FOTONUCLEARES

            Raios e nuvens de trovoada são verdadeiros aceleradores de partículas da natureza, e não apenas envolvem descargas elétricas comuns como era pensado antigamente. Inúmeros elétrons correm no meio desses eventos energéticos a velocidades relativísticas (próximas da velocidade da luz), geradas pelos campos elétricos ali presentes. Esses processos acabam gerando raios-γ (raios gama) altamente energéticos. Esses raios-γ já tinham sido - e são - detectados por observatórios terrestres, por detectores aéreos e até mesmo do espaço, através de flashes terrestres.

           A energia desses raios-γ é suficientemente alta para ativar reações atmosféricas fotonucleares que produzem nêutrons e, eventualmente, pósitrons via decaimento β+ de isótopos radioativos instáveis, mais notavelmente o 13N (isótopo do nitrogênio). Apesar de teoricamente possíveis, tais reações fotonucleares nunca foram observadas conclusivamente, apesar das crescentes evidências observacionais de nêutrons e pósitrons (onde ambos estariam sendo liberados durante processos nucleares).



           Realizado por pesquisadores japoneses, da Universidade de Kyoto, um novo estudo (Ref.1) veio agora para confirmar a existência dessas reações nucleares e a formação colateral de pósitrons (anti-partículas do elétron) durante os processos fotonucleares nas tempestades. Através de detectores instalados na costa do Mar do Japão, na estação de energia KashiwazakiKariwa, em Niigata, os pesquisadores conseguiram detectar sinais de nêutrons e pósitrons de forma conclusiva.

           Durante uma tempestade em 6 de Fevereiro de 2017, em território japonês, um flash de raios-γ com uma duração menor do que um milissegundo foi detectado nos locais de monitoramento fixados a 0,5-1.7 quilômetros dos raios de trovoada. O subsequente brilho de raios-γ decresceu rápido, com um decaimento exponencial constante de 40-60 milissegundos, e foi seguido por uma prolongada linha de emissão em torno de 0,511 megaeletrovolts (MeV), a qual durou por um minuto.

          A escala de tempo do decaimento observado e corte espectral em cerca de 10 MeV dos raios-γ subsequentes acabaram sendo bem explicados por uma de-excitação de raios-γ originados dos núcleos excitados pela captura de nêutrons. A energia de centro da prolongada linha de emissão detectada pelos cientistas durante as análises mostraram-se correspondendo à aniquilação elétron-pósitron, em uma característica assinatura energética, fornecendo conclusiva evidência de pósitrons sendo produzidos depois de um raio de tempestade.

           Para explicar o mecanismo de produção dos pósitrons, os pesquisadores concluíram que a fonte direta eram as reações fotonucleares. Nesse sentido, uma explosão (ou flash) dos fótons de raios-γ colide com os núcleos de átomos presentes na atmosfera (nitrogênio e oxigênio - O -, por exemplo), iniciando reações nucleares. Essas últimas (mostradas no esquema abaixo) geram nêutrons rápidos com uma energia cinética em torno de 10 MeV e isótopos radioativos instáveis, os quais geram pósitrons em decaimentos β+.


           Os nêutrons rápidos que são produzidos entram em uma série de espalhamentos elásticos com os núcleos na atmosfera, particularmente nitrogênio, envolvendo energias epitérmicas de 0,1-100 eV. Durante esse processo, 96% dos nêutrons desaparecem através da produção de partículas carregadas, gerando quasi-estáveis núcleos de carbono-14 (14C) - os quais possuem uma meia vida de 5,730 anos - sem emitir quaisquer fortes raios-γ; já os outros 4% são radiativamente capturados por nitrogênios na atmosfera ou matéria no solo terrestre, incluindo aquele ao redor dos detectores. O núcleo que captura um nêutron prontamente emite múltiplas linhas de de-excitação associadas aos raios-γ.


            A taxa de captura teórica decai exponencialmente com uma escala de tempo de 56 milissegundos, o que é consistente com as constantes de decaimento de 40-60 milissegundos observadas pelos pesquisadores nos brilhos subsequentes, já mencionados.

          Os outros principais produtos, 13N (meia-vida de 598 segundos) e 15O (meia-vida de 122 segundos) decaem gradualmente nos estáveis núcleos 13C e 15N via decaimento β+, liberando pósitrons e elétrons-neutrinos (uma partícula subatômica elementar do tipo lépton, a qual não possui carga elétrica). Uma região - ou 'nuvem' - cheia com esses isótopos emite pósitrons por mais de 10 minutos e acaba se movendo com o vento acima dos detectores sem experienciar muita difusão, devido à baixa mobilidade dos isótopos. Um pósitron emitido do 13N ou 15O viaja alguns poucos metros na atmosfera e é aniquilado rapidamente com um elétron no ambiente, radiando dois fótons com energia de 0,511 MeV. Esse processo produz o componente de atraso na aniquilação detectados em 11-63 segundos pelos pesquisadores e encaixando-se, mais uma vez, perfeitamente com a teoria.


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   CONCLUSÃO
 
         Bem, existiam apenas duas origens naturais dos isótopos de carbono na Terra: primordiais e estáveis 13C provindo do tempo geológico a partir da nucleossíntese estelar (Como são formados os elementos químicos?), e semi-estáveis 14C, os quais são produzidos via interação atmosférica com os raios cósmicos (partículas extremamente penetrantes, dotadas de alta energia, que se deslocam a velocidades próximas à da luz no espaço sideral, as quais englobam 86% de prótons, 10% de núcleos de hélio e 1% de núcleos pesados).
   
         O novo mecanismo fotonuclear disparado pelos raios de tempestade fornecem agora uma terceira via natural de criação desses isótopos de carbono e de outros núcleos na atmosfera, como nitrogênio e oxigênio (13C, 14C, 13N, 15N e 15O) aqui na Terra. Além disso, os isótopos de curta meia-vida 13N e 15O fornecem uma nova metodologia para estudar os raios através dos pósitrons observados do solo.

         Apesar dos raios formarem isótopos mais estáveis - 13C, 14C e 15N -, apenas uma pequena fração da quantidade total desses últimos presente na atmosfera é originada desse processo.




(1) Isótopos: Átomos com o mesmo número de prótons no núcleo, mas diferentes números de nêutrons. Em outras, palavras, são os mesmos elementos químicos, mas com massas nucleares diferentes

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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. https://www.nature.com/articles/nature24630 
  2. https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/gamma_generation.html 
  3. http://fisica.icen.ufpa.br/aplicada/classif.htm
  4. http://fisica.icen.ufpa.br/aplicada/formac.htm
  5. https://helios.gsfc.nasa.gov/cosmic.html
  6. https://home.cern/about/physics/cosmic-rays-particles-outer-space