Como os vulcões produzem raios?
Quando as condições certas se combinam de uma só vez, enormes correntes elétricas podem ser encontradas nas nuvens de cinzas de uma erupção vulcânica. As descargas criam o fenômeno único e de tirar o fôlego dos raios vulcânicos. Crédito da imagem: Ivan Alvarado/Reuters.
A ciência da iluminação vulcânica é quase tão espetacular quanto o próprio fenômeno.
Quando a rocha derretida quente sobe através da crosta terrestre e sai para a superfície, geralmente resulta em uma erupção vulcânica. Essas erupções às vezes ocorrem por meio de fluxos lentos e constantes, mas geralmente se mostram em enormes explosões de atividade. Quando este último caso acontece, uma grande quantidade de cinzas, poeira, rocha, gases voláteis e lava são expelidos em um período muito curto de tempo. Embora possamos pensar nisso como as principais características de um vulcão, muitas vezes há uma visão visual magnífica que os acompanha: relâmpagos vulcânicos. Embora nem todas as erupções produzam esse impressionante show de luzes, ele foi observado e registrado por humanos por inúmeras gerações. Agora, com nossa compreensão avançada da física e das ciências físicas, finalmente entendemos como ela é produzida.
Em 2015, o vulcão chileno Calbuco entrou em erupção pela primeira vez em 42 anos. Embora a visão de um raio vulcânico possa ser bonita, a própria erupção causa danos significativos e devastação generalizada. Crédito da imagem: Jose Mancilla/LatinContent/Getty Images.
O magma, o predecessor subterrâneo da lava, pode se formar de várias maneiras. Bolsões de magma existem nas profundezas do manto da Terra, originando-se tão profundamente quanto o núcleo externo líquido da Terra, mas também são criados a partir da crosta deslizando sobre o topo do manto. De qualquer forma, quando a rocha líquida, aquecida a milhares de graus, sobe para a crosta, ela pode irromper para a superfície em alguns pontos fracos selecionados. Quando isso acontece, não apenas a lava emerge, mas é frequentemente acompanhada por grandes quantidades de fuligem e cinzas. E, ocasionalmente, se a receita estiver certa, relâmpagos também.
A combinação de lava, calor e nuvens de cinzas é uma receita confiável para raios vulcânicos, embora a física de como funciona exija descer ao nível molecular ou até subatômico. Crédito da imagem: Marco Restivo/Demotix/Corbis.
Os relâmpagos vulcânicos parecem ocorrer com mais frequência em torno de vulcões com grandes nuvens de cinzas, particularmente durante os estágios ativos da erupção, onde a lava derretida fluindo cria os maiores gradientes de temperatura. O fenômeno dos raios foi primorosamente registrado em torno de várias erupções vulcânicas recentes, incluindo Eyjafjallajökull na Islândia, Sakurajima no Japão, o Monte Etna na Itália e os vulcões Puyehue, Calbuco e Chaiten no Chile. Mas o que você pode não saber é que esse fenômeno não foi apenas capturado durante a última erupção do Monte Vesúvio em 1944, mas foi descrito com precisão há quase 2.000 anos, quando entrou em erupção no ano 79!
A erupção de Chaiten em 2008 criou uma grande quantidade de raios vulcânicos, mas esta não é uma ocorrência nova ou rara. Os relâmpagos vulcânicos foram documentados fotograficamente por muitas décadas e registrados historicamente por milênios. Crédito da imagem: Força Aérea dos EUA (inserção), Carlos Gutierrez (principal).
Cada relâmpago é a troca de cerca de 1020 elétrons, ou – em notação de forma longa – 100.000.000.000.000.000.000 de partículas carregadas. Você pode estar acostumado a átomos neutros, com números iguais de elétrons, pois há prótons em seus núcleos, mas o calor e o atrito tornam surpreendentemente fácil para os átomos ganhar ou perder elétrons, transformando-os em íons. Nas temperaturas que os vulcões atingem, é energeticamente favorável que um átomo se ionize, onde ele pega ou perde um elétron (ou dois, ou três). Certamente não precisamos ir a esses extremos para encontrar íons; algo tão simples como esfregar suas meias de lã no tapete é um exemplo de transferência de elétrons e criação de íons.
Quando dois materiais diferentes, como tecido e plástico, são esfregados, a carga pode ser transferida de um para o outro, criando uma carga líquida em ambos os objetos. Nesse caso, a criança está carregada e os efeitos da eletricidade estática podem ser observados em seu cabelo (e no cabelo de sua sombra). A carga do slide não é observável. Crédito da imagem: Ken Bosma / flickr.
Agora, se você pode separar esses íons uns dos outros, você cria uma separação de carga, que cria uma voltagem. Quando a tensão entre duas regiões se torna muito grande - mesmo que o ar seja a única coisa entre elas - ela se torna espontaneamente condutora, criando uma ruptura do material entre essas regiões distantes. Há uma troca de carga que acontece extremamente rapidamente, e é isso que você vê como um relâmpago! Ao todo, houve mais de 150 erupções diferentes nos últimos dois séculos, onde foram registrados relâmpagos vulcânicos.
Um dos muitos exemplos de raios vulcânicos fotográficos foi capturado há apenas alguns anos por Marco Fulle, de helicóptero, durante uma erupção à noite. Crédito da imagem: Marco Fulle / Observatório Astronômico de Trieste.
Por mais complicado que esse fenômeno possa parecer, e por mais difícil que seja prever em quais circunstâncias ele ocorrerá ou não, existem apenas três etapas que você precisa para fazer isso acontecer. Aqui está a ciência de como os vulcões produzem raios:
Íons de diferentes tipos e cargas podem ser facilmente criados em altas temperaturas e quando uma variedade de partículas de diferentes composições interagem. Uma erupção vulcânica é um ambiente ideal para isso. Crédito da imagem: Ken Costello.
1.) Comece com uma abundância de íons positivos e negativos . A combinação de calor (de temperaturas vulcânicas típicas de 1500 K) e a composição diversificada do que é desenterrado por um vulcão garante que uma fração significativa de partículas que saem não sejam neutras. Os elétrons podem ser expulsos de algumas moléculas com relativa facilidade e absorvidos por outras; para as partículas individuais de cinzas que saem, muitas são íons carregados positivamente e muitos são íons carregados negativamente. Quanto mais quente for um vulcão e mais violenta a erupção, maior a probabilidade de ver raios vulcânicos.
Observe, no vídeo acima, que o relâmpago vulcânico só aparece quando o material de temperatura mais quente - lava real e fluida - se torna visível na base das nuvens de cinzas. Além dos sinais das cargas diferirem umas das outras, elas também devem ter diferentes pesos moleculares (ou atômicos) umas das outras, bem como diferentes tamanhos físicos (ou seções transversais). Isso é extremamente importante, porque permite o segundo passo essencial.
Raios de alguns elementos como átomos neutros e cátions (vermelho) e ânions (azul) derivados desses átomos. Os raios são dados em picômetros. Crédito da imagem: Popnose, usuário do Wikimedia Commons.
2.) Separe as cargas negativas das positivas . Os átomos neutros têm tamanhos físicos diferentes uns dos outros, e os átomos carregados (e moléculas) têm essa diferença ainda mais exagerada. Há também diferenças de massa significativas entre diferentes átomos e moléculas, o que é importante porque dar a mesma quantidade de energia a uma partícula mais leve significa que ela acaba se movendo mais rápido. E, finalmente, há também um gradiente de temperatura, onde as partículas que acabam de sair têm temperaturas mais altas do que as que estão na atmosfera há algum tempo.
A densidade numérica versus distribuição de velocidade para partículas de diferentes temperaturas (esquerda) e diferentes massas (direita). Crédito da imagem: Phong Dao e Julie Quattrocchi / UC Davis ChemWiki.
Essa combinação de diferentes temperaturas e diferentes massas dá a esses íons velocidades diferentes uns dos outros. E quando você tem um ambiente turbulento, partículas menores e mais leves são normalmente transportadas por distâncias maiores com mais facilidade, facilitando a separação de cargas por grandes distâncias.
Uma ilustração passo a passo de como funciona a física dos raios vulcânicos. Somente depois que todas as etapas anteriores forem concluídas sequencialmente, um raio pode ocorrer. Crédito da imagem: Brentwood Higman / E. Siegel.
3.) Uma quantidade grande o suficiente de cargas separadas fluirá por conta própria, criando relâmpagos . Separados, um grande número de cargas cria uma diferença de tensão. Se você tiver uma diferença grande o suficiente em um espaço contendo qualquer material, mesmo que seja um material isolante ou extremamente esparso como o ar, você receberá uma descarga elétrica, que é um raio!
Um único relâmpago geralmente ocorre entre dois pontos desconectados, pois um grande número de elétrons é trocado por um meio que pode ser tão tênue quanto o ar livre. Este ataque em Sakurajima do Japão é um dos mais brilhantes ataques individuais já registrados. Crédito da imagem: Asahi Shimbun / Getty Images.
É isso! Esse é o processo geral por trás de como os raios vulcânicos funcionam. Combine essas coisas: íons de massa (e carga) diferentes movendo-se em diferentes velocidades médias com diferentes seções transversais em um ambiente com gradiente de temperatura, e aí está sua receita para uma separação de carga. Obtenha uma separação de carga grande o suficiente na distância certa, e isso lhe dará um relâmpago. Essa é a origem dos raios vulcânicos.
O vulcão Puyehue, no Chile, em erupção nesta imagem há alguns anos, é um exemplo surpreendente de uma tempestade vulcânica onde um número extraordinário de ataques ocorreu em um período de tempo relativamente curto. Crédito da imagem: Francisco Negroni/AP.
Há sempre uma série de detalhes a serem preenchidos para melhorar nossa compreensão de exatamente como isso ocorre em cada erupção vulcânica individual. As questões não resolvidas incluem:
- por que às vezes ocorre na ausência virtual de nuvens de cinzas,
- por que muitos ataques ocorrerão em rajadas, enquanto outros ocorrem em frequências relativamente constantes,
- e por que alguns vulcões não parecem tê-lo.
Mas essa imagem básica é irrefutável e nos deu algumas vistas espetaculares para todo o mundo compartilhar. Os eventos de raios vulcânicos podem ocorrer uma única vez, ou os ataques podem durar minutos, horas ou até vários dias.
Quando uma foto de lapso de tempo de um vulcão em erupção é tirada, muitas vezes é possível capturar muitos relâmpagos independentes decorrentes de uma única nuvem de cinzas vulcânicas. Crédito da imagem: Carlos Gutierrez/Reuters.
Usando as técnicas fotográficas de empilhamento ou lapso de tempo, muitas vezes você pode ver vários ataques em uma única fotografia composta, com muitas contendo dezenas ou até centenas de relâmpagos individuais. À medida que as cargas se movem, cada golpe é diferente, mas a física é universal. Tudo o que é preciso é calor, ionização, uma diversidade de moléculas e transporte, e quando carga suficiente se separa na distância certa, ocorrem descargas elétricas. É assim que você faz relâmpagos vulcânicos, e o resultado espetacular é diferente de qualquer outra coisa no mundo.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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