Como Andrea Stöllner usa lasers e uma partícula microscópica para estudar o início do relâmpago

Quando as experiências de Andrea Stöllner não correram como o previsto - algo comum na ciência - o desvio acabou a levá-la a um resultado ainda mais curioso: uma forma de investigar o que pode ser a faísca inicial do relâmpago, recorrendo a lasers e a uma única partícula microscópica.

Stöllner, investigadora de Física no Institute of Science and Technology Austria, liderou um estudo com uma equipa internacional para analisar uma capacidade conhecida, porém pouco compreendida, de “pinças” baseadas em luz: a de carregar eletricamente partículas que ficam presas no feixe. Esse comportamento abre uma nova via para estudar um dos fenómenos mais impressionantes da natureza.

O enigma do início do relâmpago nas nuvens

Como um relâmpago começa continua a ser um dos maiores mistérios da ciência atmosférica. Há várias teorias, cada uma tentando explicar o que dá início à cascata elétrica no interior das nuvens que, no fim, se manifesta como um raio.

Todos os dias, quase 9 milhões de relâmpagos iluminam o planeta, traçando caminhos em zigue-zague através das nuvens que, nos casos mais extremos, podem estender-se por centenas de quilómetros.

Ainda assim, tendo em conta o quanto já compreendemos sobre a física de objetos longínquos nos cantos mais distantes do Universo, causa estranheza não sabermos ao certo o que aciona relâmpagos dentro de nuvens a apenas alguns quilómetros acima das nossas cabeças.

Para tentar resolver o quebra-cabeça, cientistas já lançaram balões meteorológicos para medir as condições dentro de nuvens de tempestade, atravessaram tempestades com aeronaves e usaram câmaras de alta velocidade e sensores para registar descargas - e as reações fotonucleares que elas podem desencadear.

Mesmo com esses esforços, o mecanismo exato do arranque do relâmpago continua em aberto.

Sabe-se que as nuvens de tempestade acumulam grandes cargas elétricas. A explicação dominante sugere que cristais de gelo ganham carga ao colidirem com um tipo de granizo macio chamado graupel; depois, cargas opostas se separam, criando um campo elétrico.

O obstáculo é que os campos elétricos medidos dentro das nuvens parecem relativamente fracos - muito aquém do necessário para transformar o ar num condutor por onde a corrente consiga fluir.

“Isso sugere que há algo errado com as nossas medições”, escreveram em 2014 Joseph Dwyer e Martin Uman, dois cientistas especialistas em relâmpagos, “ou há algo errado com o nosso entendimento de como as descargas elétricas ocorrem no ambiente de tempestades”.

Segundo Stöllner, pode ser que existam bolsões de campo elétrico muito mais intenso no interior das nuvens que ainda não foram identificados, ou que os cristais de gelo - de algum modo - gerem a primeira faísca necessária para que o processo avance, disse ela à ScienceAlert.

Outra hipótese envolve raios cósmicos de alta energia: eles poderiam ionizar o ar e produzir uma “chuva” de eletrões livres que, ao multiplicar-se, acabaria por se converter num relâmpago.

“Mas, por outro lado”, diz Stöllner, “também pode ser algo completamente diferente ou uma mistura de todas essas coisas; não sabemos”.

Essas ideias sobre o início do relâmpago circulam desde as décadas de 1950 e 1960, sustentadas sobretudo por observações e simulações computacionais - e raramente colocadas à prova em experiências de laboratório.

Stöllner não começou o seu trabalho com a intenção de estudar relâmpagos, mas é nessa direção que a sua investigação está a avançar.

“Acho que agora é um bom momento para voltar a esta questão, porque temos a tecnologia para o fazer”, afirma Stöllner, doutoranda nos laboratórios do físico Scott Waitukaitis e da cientista do clima Caroline Muller.

Um laser, uma partícula microscópica e a carga elétrica

No estudo mais recente, Stöllner e colegas usaram lasers para “aprisionar” uma única partícula microscópica de sílica e, ao aumentar a intensidade do laser, medir a carga elétrica dessa partícula. À medida que a sílica inicialmente neutra acumula carga, ela passa a “tremer” no campo elétrico alternado presente no feixe.

As medições do grupo indicam que a partícula neutra de sílica provavelmente absorve dois fotões do laser; essa energia extra promove e liberta eletrões, deixando a partícula com carga positiva.

Stöllner, porém, reparou noutro detalhe que não era esperado: por vezes, quando uma partícula permanecia presa durante semanas, de repente ela deixava de tremer tanto - uma descarga espontânea que, se ocorresse na atmosfera, poderia desencadear algo muito maior, como um relâmpago.

“Não sabemos como isso acontece, mas basicamente a carga simplesmente cai muito depressa”, diz Stöllner. “Estamos muito interessados em descobrir o que causa isso e, na verdade, essa é praticamente a mesma pergunta da iniciação do relâmpago, só que nesta escala minúscula, minúscula.”

Por enquanto, a ligação com relâmpagos é altamente especulativa. Por isso, Stöllner continua a estudar as descargas e a testar se o tamanho da partícula, a humidade ou a pressão exercem algum efeito.

“De certa forma, é uma limitação do nosso estudo, porque tudo é super minúsculo e super pequeno, e 10 eletrões não fazem um relâmpago”, diz Stöllner. “Mas, por outro lado, é uma forma de altíssima resolução para sondar este carregamento e descarregamento de uma única partícula.”

O que o método pode esclarecer sobre eletrificação de nuvens (e além)

Dan Daniel, físico do Okinawa Institute of Science and Technology, no Japão, que não participou do trabalho, disse à ScienceAlert que a capacidade de aprisionar uma única partícula submicrométrica, carregá-la de forma controlada e medir a sua carga “com resolução requintada” é “genuinamente impressionante”.

“Isto é exatamente o nível de precisão necessário para, eventualmente, sondar o carregamento de gotículas de água ou partículas de gelo - um passo essencial rumo a uma compreensão verdadeiramente microscópica de relâmpagos, da eletrificação de nuvens e da eletricidade atmosférica”, explicou Daniel.

Em certos aspetos, a abordagem é mais realista porque não depende de elétrodos metálicos para medir carga. Em vez disso, as partículas ficam a pairar no ar, como aerossóis na atmosfera.

Além disso, segundo Stöllner, o método opera com campos elétricos mais fracos do que os usados em experiências laboratoriais anteriores.

Ainda assim, acredita-se que, nas nuvens, os principais protagonistas do início do relâmpago sejam cristais de gelo - e não aerossóis - e essas estruturas podem ser complexas e invulgares à sua maneira.

Daniel também chama a atenção para o facto de a luz solar que atinge a atmosfera da Terra ser muito mais fraca do que os lasers utilizados nestas experiências. Há, contudo, algumas evidências de que poeira e aerossóis podem ganhar carga sob radiação UV - provavelmente por um processo de um único fotão, e não por múltiplos fotões, diz Daniel.

A poeira na Lua, exposta a bombardeamento de luz UV e aos ventos solares, também se carrega e levita, chegando a atrapalhar veículos robóticos lunares e instrumentos.

Assim, este enquadramento experimental é relevante “não apenas para relâmpagos e para a eletrificação de nuvens”, afirma Daniel, “mas também para problemas em ciência planetária e exploração espacial”.

O estudo foi publicado na Physical Review Letters.

Research for this article was partly supported through a journalism residency funded by the Institute of Science & Technology Austria (ISTA). ISTA had no input into the story.