Como se formam raios e trovões

Como a nuvem se carrega

As nuvens de tempestade, chamadas cumulonimbos, têm correntes de ar ascendentes fortes que misturam gotas de água, cristais de gelo e partículas de gelo mais densas e granulares, conhecidas como granizo mole ou graupel. Nessa mistura, as partículas colidem o tempo todo. Isso é bem estabelecido: a nuvem desenvolve regiões com predomínio de carga negativa e regiões com predomínio de carga positiva, em geral com a carga negativa na parte média e a positiva na parte alta.

O mecanismo preciso de transferência de carga nessas colisões ainda é objeto de pesquisa. A explicação mais aceita envolve o contato entre cristais de gelo e graupel em presença de gotículas de água super-resfriadas, com o sinal da carga transferida dependendo da temperatura e do conteúdo de água líquida. Experimentos de laboratório sustentam essa ideia, mas não reproduzem todos os detalhes observados nas nuvens reais.

Da diferença de potencial à descarga

O ar seco é um bom isolante, mas não indefinidamente. Quando o campo elétrico entre duas regiões carregadas fica intenso o bastante, parte das moléculas do ar se ioniza e forma um canal condutor. Em geral, o processo começa com um líder, um caminho ramificado e fraco que desce da nuvem em saltos, procurando um trajeto até o solo.

Quando o líder se aproxima do chão, estruturas altas e pontiagudas emitem descargas ascendentes ao seu encontro. No instante em que os dois se conectam, forma-se um canal completo e uma corrente intensa percorre o caminho de baixo para cima: é o clarão brilhante que vemos, a descarga de retorno. Muitos raios têm várias descargas sucessivas pelo mesmo canal, o que explica o aspecto de cintilação.

Os raios não ocorrem só entre nuvem e solo. A maioria acontece dentro da própria nuvem ou entre nuvens. Como a origem exata da primeira ruptura elétrica no interior da nuvem ainda é investigada, esse é um ponto em aberto, embora o fenômeno em si seja plenamente documentado.

Por que há trovão

A corrente do raio aquece o ar do canal a temperaturas muito superiores às da superfície do Sol, em uma fração mínima de segundo. O ar assim aquecido se expande de forma abrupta, comprime o ar ao redor e gera uma onda de choque que, a certa distância, se torna uma onda sonora. Isso é bem estabelecido.

O ruído que ouvimos varia porque o canal é longo e sinuoso. O som de cada trecho chega em momentos diferentes, e as ondas ainda sofrem reflexão e refração no terreno e na atmosfera. Por isso um raio próximo produz um estalo seco e um raio distante produz um ribombar longo e grave.

Estimando a distância da tempestade

A luz chega praticamente de imediato, enquanto o som viaja a cerca de 340 metros por segundo no ar. Contar os segundos entre o clarão e o trovão dá uma estimativa grosseira da distância: aproximadamente um quilômetro a cada três segundos. É uma aproximação, afetada pelo vento, pela temperatura e pelo relevo.

Essa conta serve apenas para entender o fenômeno. Ela não substitui orientações de proteção civil, que ficam fora do escopo deste texto.