Cientistas calcularam raios com precisão matemática pela primeira vez

Menos de 300 anos se passaram desde que os cientistas criaram o modelo físico mais completo dos processos que ocorrem imediatamente antes de uma descarga atmosférica. A ciência moderna compreende como e por que os raios ocorrem nas nuvens. Mas uma série de nuances iludiu os pesquisadores, incluindo a compreensão do que são “raios escuros” — poderosas explosões de raios X no céu sem flashes ou pulsos de rádio. Um novo estudo explicou mais detalhadamente o que acontece lá.

Fonte da imagem: AI generation Grok 3/avalanche noticias

«”Nossos resultados fornecem a primeira explicação quantitativa precisa de como os raios ocorrem na natureza”, disse Victor Pasko, professor de engenharia elétrica no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação da Penn State. “Isso nos permite estabelecer uma conexão entre raios X, campos elétricos e a física das avalanches de elétrons.”

Segundo cientistas, antes de uma descarga elétrica, ocorre uma poderosa reação em cadeia nas nuvens. Dentro das nuvens de tempestade, fortes campos elétricos aceleram elétrons, que colidem com moléculas de nitrogênio, oxigênio e outras. As reações resultam em raios X, que por sua vez geram ainda mais elétrons e fótons de alta energia. E só então ocorre o raio.

Cientistas que estudam a atmosfera sabem como as partículas carregadas interagem nas nuvens. Os prótons sobem e os elétrons na nuvem descem em direção ao solo, para a parte inferior das nuvens. A carga negativa acumulada na parte inferior da nuvem empurra os elétrons na superfície da Terra para um nível mais profundo, graças ao seu campo. Assim, a superfície do planeta sob a nuvem adquire uma carga positiva. O acúmulo de cargas ocorre até que um canal de ruptura se estabeleça entre a nuvem e o solo, e então observamos raios.

O novo trabalho permitiu descrever de forma detalhada e quantitativa os últimos segundos e até frações de segundos antes da descarga.

«”Explicamos como ocorrem os fenômenos fotovoltaicos, quais condições devem existir nas nuvens de tempestade para desencadear a cascata de elétrons e o que causa a ampla gama de sinais de rádio que vemos nas nuvens antes da ocorrência de raios”, explicaram os pesquisadores. “Para validar nossa explicação de como os raios ocorrem, comparamos nossos resultados com modelos e observações anteriores, além de nosso próprio trabalho sobre um tipo de raio chamado descargas compactas internuvens, que normalmente ocorrem em pequenas regiões localizadas de nuvens de tempestade.”

Uma das consequências do trabalho realizado foi o esclarecimento da física do processo de “raio escuro”, quando apenas uma explosão de raios gama aparece no céu, sem uma descarga visível e sem um pulso de rádio no éter.

«Em nossa simulação, raios X de alta energia resultantes de avalanches de elétrons relativísticas devido ao efeito fotoelétrico no ar geram novos elétrons primários, o que leva a uma rápida amplificação dessas avalanches”, explicaram os cientistas.

«Além do fato de essa reação em cadeia descontrolada ocorrer em volumes muito compactos, sua intensidade pode variar bastante, resultando frequentemente na detecção de emissão de raios X acompanhada por emissões ópticas e de rádio muito fracas. Isso explica por que explosões de raios gama podem ocorrer em regiões que parecem opticamente fracas e radiossilenciosas.