Usar lasers como ferramentas de precisão para estudar como as nuvens são ativadas eletricamente pode parecer futuro, mas pesquisadores do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA) transformaram isso em trabalho prático de laboratório. Ao capturar e carregar pequenas partículas transportadas pelo ar com um feixe de luz focado, os cientistas podem observar como o seu estado elétrico muda ao longo do tempo. Suas descobertas, relatadas recentemente Carta de revisão físicaO que pode ajudar a revelar o início de um raio.
Aerossóis são minúsculas gotículas ou partículas sólidas que ficam suspensas no ar e nos rodeiam constantemente. Alguns são grandes o suficiente para serem vistos, como o pólen da primavera, enquanto outros, como os vírus que circulam durante a temporada de gripe, são pequenos demais para o olho humano. Alguns também podem ser sentidos pelo paladar, incluindo finas partículas de sal transportadas pela brisa marítima.
A estudante de doutorado Andrea Stallner, membro dos grupos Witukitis e Müller do ISTA, estuda o comportamento dos cristais de gelo que se formam nas nuvens. Para entender melhor como esses cristais coletam carga, ele trabalha com modelos de aerossóis feitos de esferas de sílica transparentes muito pequenas.
Junto com o ex-pós-doutorado da ISTA Isaac Lenton, o professor assistente da ISTA Scott Waitukaitis e colaboradores, Stollner desenvolveu uma técnica que usa dois feixes de laser que se cruzam para capturar, estabilizar e carregar eletricamente uma partícula de sílica. Esta configuração abre a porta para novas investigações sobre como começa a eletrificação da nuvem e como ocorrem os relâmpagos.
Criando uma armadilha laser estável
Andrea Stallner trabalha em uma grande mesa de laboratório repleta de componentes metálicos polidos. Feixes de laser verdes saltam de espelho em espelho, cruzando o espaço. Um som sibilante lento e constante vem da mesa, como o ar saindo de um pneu. “É uma mesa antivibração”, diz Stöllner, explicando como ela protege os lasers de equipamentos na sala ou próximos, o que é essencial para medições altamente precisas.
O feixe percorre uma série de seções alinhadas antes de convergir em dois fluxos estreitos que entram em um recipiente selado. Onde se encontram, formam um ponto concentrado de luz que pode manter pequenas partículas no lugar. Essas “pinças ópticas” suspendem os aerossóis por tempo suficiente para estudá-los. Quando uma partícula é capturada, um flash verde brilhante é visto, confirmando que a armadilha capturou com sucesso uma partícula de aerossol brilhante e perfeitamente esférica.
“A primeira vez que peguei uma partícula, fiquei nas nuvens”, lembrou Stollner sobre seu momento de descoberta pouco antes do Natal, há dois anos. “Scott Vaitukaitis e meus colegas correram para o laboratório e tiveram um breve vislumbre da partícula de aerossol capturada. Durou exatamente três minutos, depois a partícula desapareceu. Agora podemos mantê-la nessa posição durante semanas.”
Demorou cerca de quatro anos para atingir esse nível de controle. O experimento começou com uma versão anterior desenvolvida por Lenton. “Basicamente, nossa configuração foi projetada para conter apenas uma partícula, analisar sua carga e determinar como a umidade altera sua carga”, disse Stallner. “Mas nunca chegamos tão longe. Descobrimos que o próprio laser que usávamos carregava nossas partículas de aerossol.”
Como os lasers soltam elétrons
Stallner e seus colegas descobriram que as partículas ganham carga através de um “processo de dois fótons”.
As partículas de aerossol normalmente não carregam quase 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 a partícula ao mesmo tempo e são absorvidos juntos, eles podem remover um único elétron. A perda desse elétron dá à partícula uma unidade de carga positiva e, com a exposição contínua, a partícula torna-se progressivamente mais carregada positivamente.
Para Stöllner, identificar esse processo abriu novas oportunidades. “Podemos agora observar com precisão a evolução de uma partícula de aerossol à medida que ela passa de neutra para altamente carregada e ajustar a potência do laser para controlar a taxa.”
À medida que a carga aumenta, a partícula também começa a perder carga novamente em uma explosão repentina e curta. Estas descargas espontâneas indicam comportamentos que podem ocorrer naturalmente na atmosfera.
Acima, as partículas de nuvem podem passar pelo mesmo ciclo de formação 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. À medida que estes colidem, eles trocam cargas elétricas. Com o tempo, a nuvem fica tão desequilibrada eletricamente que cai um raio. Uma ideia é que a primeira faísca do relâmpago possa originar-se diretamente de cristais de gelo carregados. No entanto, o mecanismo exato dos relâmpagos permanece sem solução. Outras teorias propõem que os raios cósmicos iniciam o processo porque as partículas carregadas que produzem são aceleradas dentro de um campo eléctrico existente. Segundo Stollner, a visão científica atual é que, em ambos os casos, o campo elétrico dentro da nuvem parece ser demasiado fraco para iniciar os relâmpagos por si só.
“Nossa nova configuração nos permite explorar a teoria cristalina do gelo examinando de perto a dinâmica de carga de uma partícula ao longo do tempo”, explica Stallner. Embora os cristais de gelo naturais nas nuvens sejam muito maiores do que as partículas de sílica utilizadas no laboratório, a equipa espera que a compreensão destes efeitos em pequena escala revele os processos maiores que causam os relâmpagos. “Nosso modelo de cristais de gelo está apresentando descarga e provavelmente há muito mais. Imagine se eles acabassem produzindo pequenas faíscas de eletricidade – isso seria muito legal”, acrescenta ele com um sorriso.
