Usar lasers como ferramentas de precisão para estudar como as nuvens se tornam eletricamente ativas pode parecer futurista, mas pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) transformaram isso em trabalho prático de laboratório. Ao capturar pequenas partículas no ar com um feixe focalizado e carregá-las, os cientistas podem observar como o seu estado elétrico muda ao longo do tempo. Suas descobertas foram recentemente relatadas em Cartas de revisão físicapoderia ajudar a revelar o que desencadeia os raios.
Aerossóis são minúsculas gotículas ou partículas sólidas suspensas no ar que nos rodeiam constantemente. Alguns são grandes o suficiente para serem vistos a olho nu, como o pólen da primavera, enquanto outros, como os vírus que se espalham durante a temporada de gripe, são pequenos demais para o olho humano. Algumas delas podem até ser sentidas através do paladar, incluindo finas partículas de sal transportadas pela brisa do mar.
A estudante de doutorado Andrea Stöllner, membro dos grupos Waitukaitis e Muller do ISTA, estuda o comportamento dos cristais de gelo formados nas nuvens. Para entender melhor como esses cristais acumulam carga, ela usou modelos de aerossóis feitos de esferas de sílica transparentes muito pequenas.
Stöllner, junto com o ex-Isaac Lenton, o professor assistente da ISTA Scott Waitukaitis e seus colaboradores, criaram uma técnica que usa dois feixes de laser que se cruzam para capturar, estabilizar e carregar partículas individuais de sílica. Esta configuração abre a porta para novas pesquisas sobre como começa a eletrificação da nuvem e como os relâmpagos são desencadeados.
Construindo uma armadilha laser estável
Andrea Stöllner trabalha em uma grande mesa de laboratório repleta de peças metálicas polidas. Um raio laser verde viaja pelo espaço, saltando de espelho em espelho. Um som sibilante lento e constante veio da mesa, semelhante ao som de um pneu furado. “É uma mesa sísmica”, disse Stollner, observando como ela protege o laser de pequenas perturbações de equipamentos dentro ou próximos da sala, o que é fundamental para medições extremamente precisas.
O feixe passa por uma série de componentes alinhados antes de convergir em dois fluxos estreitos em um recipiente selado. Onde se encontram, criam um ponto concentrado de luz que mantém pequenas partículas no lugar. Essas “pinças ópticas” podem manter aerossóis flutuantes suspensos por tempo suficiente para estudá-los. À medida que as partículas são capturadas, um flash verde brilhante aparece, confirmando que a armadilha capturou com sucesso as partículas de aerossol brilhantes e perfeitamente redondas.
“Quando capturei a partícula pela primeira vez, fiquei em êxtase”, lembra Stollner sobre seu momento de descoberta pouco antes do Natal, há dois anos. “Scott Vitkatis e meus colegas correram para o laboratório e tiveram um breve vislumbre da partícula de aerossol presa. Durou três minutos completos e então a partícula desapareceu. Agora podemos mantê-la nesta posição por semanas.”
Demorou quase quatro anos para atingir esse nível de controle. O experimento começou com uma versão inicial desenvolvida por Lenton. “Originalmente, nosso dispositivo foi projetado apenas para conter uma única partícula, analisar sua carga e descobrir como a umidade altera sua carga”, disse Stollner. “Mas nunca chegamos tão longe. Descobrimos que o laser que usamos carregava as próprias partículas de aerossol.”
Como os lasers soltam elétrons
Stoner e seus colegas descobriram que as partículas ganham carga através de um “processo de dois fótons”.
Partículas de aerossol normalmente carregam pouca ou nenhuma carga líquida, com elétrons (entidades carregadas negativamente) orbitando dentro de cada átomo. Os feixes de laser são compostos de fótons (partículas de luz que viajam na velocidade da luz). Quando dois fótons atingem uma partícula ao mesmo tempo e são absorvidos juntos, eles podem remover um elétron. A perda deste elétron dá à partícula uma unidade de carga positiva e, com a exposição contínua, a partícula torna-se gradualmente mais carregada positivamente.
Para Stöllner, identificar esse processo traz novas oportunidades. “Podemos agora observar com precisão a evolução de uma partícula de aerossol de uma carga neutra para uma carga altamente carregada e ajustar a potência do laser para controlar a taxa.”
À medida que a carga aumenta, as partículas também começam a perder carga novamente, repentina e brevemente. Estas descargas espontâneas sugerem um comportamento que pode ocorrer naturalmente na atmosfera.
Em grandes altitudes, as partículas de nuvens podem passar por ciclos semelhantes de acumulação e liberação de carga.
Procurando pela primeira faísca de relâmpago
As nuvens de tempestade contêm uma mistura de cristais de gelo e grandes pedaços de gelo. Quando eles colidem, eles trocam cargas. Com o tempo, as nuvens ficam muito desequilibradas, permitindo a formação de raios. Uma ideia é que as primeiras faíscas dos relâmpagos podem ser geradas diretamente a partir de cristais de gelo carregados. No entanto, o mecanismo exato por trás da formação dos raios permanece sem solução. Outras teorias sugerem que os raios cósmicos iniciam o processo porque as partículas carregadas que eles criam aceleram dentro dos campos eléctricos existentes. Stollner disse que a visão científica atual é que, em ambos os casos, o campo elétrico dentro da nuvem parecia ser fraco demais para desencadear raios por si só.
“Nossa nova configuração nos permite explorar a teoria dos cristais de gelo examinando cuidadosamente a dinâmica de carga das partículas ao longo do tempo”, explica Stollner. Embora os cristais de gelo naturais nas nuvens sejam muito maiores do que as partículas de sílica usadas no laboratório, a equipe espera que a compreensão desses efeitos em pequena escala possa lançar luz sobre os processos maiores que criam os relâmpagos. “Nossos modelos de cristais de gelo estão mostrando descargas elétricas e talvez mais. Imagine se eles acabassem produzindo faíscas ultrapequenas de relâmpagos – isso seria legal”, acrescentou ela com um sorriso.
