Andrea Stöllner usa lasers e uma partícula microscópica para estudar o início do relâmpago

Em ciência, é frequente que uma experiência não corra como previsto - e, no caso de Andrea Stöllner, esse desvio acabou por abrir uma via ainda mais intrigante: observar o que pode ser a faísca inicial de um relâmpago, recorrendo a lasers e a uma única partícula microscópica.

Stöllner, investigadora em Física no Institute of Science and Technology Austria, liderou um trabalho com uma equipa internacional centrado numa capacidade conhecida, mas ainda pouco compreendida, de “pinças” de luz: a de carregar eletricamente partículas que ficam presas no seu feixe. Para os investigadores, isto representa uma nova forma de explorar um dos fenómenos mais imponentes da natureza.

O mistério do início do relâmpago

A forma como um relâmpago se inicia continua a ser uma das grandes incógnitas da ciência atmosférica. Existem várias hipóteses para explicar o que desencadeia a cascata elétrica dentro das nuvens que, no fim, dá origem ao raio.

Quase 9 milhões de relâmpagos iluminam a Terra todos os dias, e em situações extremas avançam em ziguezague através das nuvens ao longo de centenas de quilómetros.

Ainda assim, tendo em conta o quanto se sabe sobre a física de objetos distantes, nos confins do Universo, é surpreendente que continue por esclarecer o que dispara um relâmpago dentro de nuvens a apenas alguns quilómetros acima de nós.

Para tentar responder, cientistas já lançaram balões meteorológicos para medir condições no interior de nuvens de trovoada, fizeram voos de aeronaves através de tempestades e usaram câmaras de alta velocidade e sensores para registar descargas - e as reações fotonucleares que elas podem desencadear.

Mesmo com esse esforço, o mecanismo exato que dá início ao relâmpago permanece em aberto.

Sabe-se, isso sim, que as nuvens de trovoada acumulam cargas elétricas muito elevadas. A explicação mais aceite propõe que cristais de gelo no interior das nuvens ganham carga quando colidem com um tipo de granizo mole conhecido como graupel; depois, as cargas opostas separam-se, formando um campo elétrico.

O problema é que os campos elétricos medidos dentro das nuvens são relativamente fracos - longe do suficiente para transformar o ar num condutor que permita a passagem de corrente.

“Isso sugere que ou há algo de errado com as nossas medições”, escreveram em 2014 dois especialistas em relâmpagos, Joseph Dwyer e Martin Uman, “ou há algo de errado com a nossa compreensão de como as descargas elétricas ocorrem no ambiente de uma tempestade.”

Segundo Stöllner, uma possibilidade é existirem bolsões de campo elétrico muito mais intenso no interior das nuvens que ainda não foram detetados. Outra é que os cristais de gelo, de alguma forma, consigam gerar a primeira faísca necessária ao arranque do processo.

Há ainda a hipótese dos raios cósmicos de alta energia: podem ionizar o ar e produzir uma cascata de eletrões livres que, por sua vez, desemboca num relâmpago.

“Mas, por outro lado”, diz Stöllner, “também pode ser algo completamente diferente ou uma mistura de tudo isso; não sabemos.”

Estas ideias sobre o início do relâmpago circulam desde as décadas de 1950 e 1960, assentes sobretudo em observações e simulações computacionais, e raramente foram testadas com experiências laboratoriais.

Stöllner não começou o seu trabalho com o objetivo de investigar o que dá origem aos relâmpagos - mas é para aí que a sua investigação está a apontar.

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

Lasers e “pinças” de luz: carregar uma partícula de sílica

No estudo mais recente, Stöllner e os seus colegas recorreram a lasers para “aprisionar” uma única partícula microscópica de sílica e, aumentando a intensidade do laser, medir a carga elétrica dessa partícula. À medida que a partícula de sílica neutra acumula carga, ela começa a “tremer” devido ao campo elétrico alternado presente no feixe.

De acordo com as medições da equipa, é provável que a partícula neutra absorva dois fotões do laser; isso fornece energia suficiente para libertar eletrões, deixando a partícula com carga positiva.

Uma descarga inesperada e a hipótese sobre o início do relâmpago

Stöllner reparou, contudo, num comportamento inesperado: em alguns casos, quando uma partícula permanecia aprisionada durante semanas, de repente deixava de tremer tanto - um descarregamento espontâneo que, se ocorresse na atmosfera, poderia desencadear algo de maior escala, como um relâmpago.

“Não sabemos como acontece, mas basicamente a carga cai muito depressa”, diz Stöllner. “Estamos muito interessados em perceber o que causa isso e essa é, na verdade, praticamente a mesma pergunta que a iniciação do relâmpago, só que nesta escala minúscula, minúscula.”

Nesta fase, a ligação aos relâmpagos é altamente especulativa, pelo que Stöllner continua a estudar estas descargas e a testar se o tamanho das partículas, a humidade ou a pressão influenciam o fenómeno.

“De certa forma, é uma limitação do nosso estudo porque tudo é super minúsculo e super pequeno, e 10 eletrões não fazem um relâmpago”, afirma Stöllner. “Mas, por outro lado, é uma forma de altíssima resolução para sondar este carregamento e descarregamento de uma única partícula.”

O que um especialista externo considera promissor

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

“Este é exatamente o nível de precisão necessário para, eventualmente, investigar o carregamento de gotículas de água ou de partículas de gelo - um passo essencial para uma compreensão verdadeiramente microscópica dos relâmpagos, da eletrificação das nuvens e da eletricidade atmosférica”, explicou Daniel.

O método, em alguns aspetos, aproxima-se mais da realidade porque não recorre a elétrodos metálicos para medir a carga. Em vez disso, as partículas ficam suspensas no ar, como aerossóis na atmosfera.

Além disso, de acordo com Stöllner, o procedimento usa campos elétricos mais fracos do que os de experiências laboratoriais anteriores.

Ainda assim, pensa-se que os principais intervenientes na iniciação do relâmpago são cristais de gelo dentro das nuvens - e esses cristais são complexos e peculiares por si mesmos.

Daniel também chama a atenção para o facto de a luz solar que incide na atmosfera terrestre ser muito mais fraca do que os lasers utilizados nestas experiências. No entanto, acrescenta que há alguns indícios de que poeiras e aerossóis podem ficar carregados sob radiação ultravioleta - provavelmente através de um processo de um único fotão, e não de múltiplos fotões.

Um exemplo relacionado surge na Lua: o pó lunar, sujeito a radiação UV e ao vento solar, também ganha carga e levita, chegando a obstruir rovers e instrumentos.

Por isso, diz Daniel, esta estrutura experimental é relevante “não apenas para os relâmpagos e a eletrificação das nuvens”, mas também para problemas de ciência planetária e exploração espacial.

O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.

O trabalho de reportagem para este artigo foi parcialmente apoiado por uma residência de jornalismo financiada pelo Institute of Science and Technology Austria (ISTA). O ISTA não teve qualquer intervenção no conteúdo da reportagem.