Projeto de Iniciação Científica
Centro Universitário da FEI
Estudo das Descargas Atmosféricas através de uma Câmera
Rápida
Nome da orientadora: Rosangela Barreto Biasi Gin
Nome do co-orientador: Reinaldo Bianchi
Nome do aluno: Thiago Augusto Lunardi
Início do projeto: Outubro de 2010
Término do projeto: Setembro de 2011
Duração: 12 meses
Depto: Física
Depto: Elétrica
No. 11.109.619-4
Resumo
O estudo das descargas atmosféricas através de sensores ópticos traz informação sobre as
principais características físicas dos relâmpagos. Estas informações quando acopladas à
sensores de campo elétrico, informam a real condição das tempestades elétricas. O principal
objetivo deste projeto é identificar todas as fases das descargas atmosféricas que ocorrem
em São Bernardo do Campo. Um sistema de aquisição de imagens de alta velocidade capta
a informação e identifica as características físicas e de propagação do evento. Este sistema
irá complementar o monitoramento óptico contínuo desenvolvimento na FEI, estudando
eventos específicos.
Palavras-chave:
1. Tempestades severas
2. Descargas atmosféricas
3. Câmeras de Vídeo de alta velocidade
Objetivo e justificativa
O principal objetivo deste projeto é identificar as principais características físicas dos
relâmpagos que ocorrem em São Bernardo do Campo. Este projeto visa monitorar as
tempestades severas através de uma câmera rápida complementando as informações obtidas
no monitoramento óptico e elétrico desenvolvido na FEI. Além disso, deve-se identificar as
principais características de propagação de descargas artificiais em ambiente controlado.
Este estudo mostra como as descargas se comportam nesta região e se existe alguma
tendência de propagação. O Grande ABCD está entre as 20 primeiras posições das regiões
que apresentam máximas densidades de descargas atmosféricas da região sul e sudeste do
Brasil. Este alto índice de densidade, entre 6 e 10 relâmpagos por km2/ano, deve-se as
condições meteorológicas e orográficas da região que favorecem à ocorrência de
tempestades severas. Um grande número de pessoas tem sido atingidas por descargas
atmosféricas e o índice de enchentes nos últimos anos tem sido alto nesta região. As
tempestades que estão associadas a relâmpagos de corrente continua, comuns em São
Bernardo do Campo, estão associadas a enchentes. Desta forma, a proposta de
desenvolvimento aqui apresentada vem contribuir com a comunidade não só no que tange a
auxiliar o desenvolvimento tecnológico, pois este auxilia o desenvolvimento de sensores
eletromagnéticos, como também auxiliar na identificação de tempestades severas que
ocorrem numa região tão pouco estudada.
Revisão bibliográfica
Este projeto envolve o monitoramento de descargas atmosféricas através de um sistema
óptico de alta velocidade.
As descargas atmosféricas são fenômenos naturais que exibem grande fascínio pela sua
beleza e pelo seu poder de destruição. Grande parte da população sofre com os efeitos
diretos ou indiretos das descargas atmosféricas. Um estudo feito nos Estados Unidos e na
França mostram que cerca de 100 pessoas são atingidas por ano por descargas atmosféricas
sendo 10% destas vítimas fatais (Holle e Cooper, 2000; Gourbiere, 1999). No Brasil, ainda
não se tem esta estatística. Estudos recentes mostram que mais de 20 pessoas foram
atingidas diretamente durante o verão de 2001 na região da Capital Paulistana ( Gin et al.,
2002). Desta forma, torna-se importante identificar o fenômeno.
Relâmpagos são fenômenos naturais constituídos por uma sucessão descargas atmosféricas
com duração da ordem de alguns segundos. As descargas podem ocorrem entre nuvens,
entre a nuvem e o solo, entre a nuvem e a ionosfera e dentro da nuvem. Este último tipo é o
mais freqüente.
As descargas atmosféricas que iremos identificar são descargas do tipo nuvem-solo e
intranuvem. As descargas nuvem-solo são na sua maioria descargas múltiplas com
polaridade negativa e apresentam intensidade média de corrente de 30 kA (Gin et al.,
2000). A faixa de freqüência dessas descargas varia de 0,1 a 10 MHz e o campo
eletrostático é da ordem de 1 a 104 V/m (Uman, 1987).
Os relâmpagos nuvem-solo iniciam-se de um dos centros de carga da nuvem de
tempestade por uma descarga de pouca intensidade luminosa denominada líder escalonado.
Esta descarga descendente propaga-se em etapas discretas com velocidade média de
105 m/s, criando assim um canal ionizado (figura 1). Utilizando-se de registros fotográficos
estima-se que o diâmetro do canal é de 1 a 10 metros. O líder escalonado pode ramificar-se
e a tortuosidade dos ramos dá-se devido a descarga vagar em busca dos caminhos mais
favoráveis a formação do canal. Os ramos têm extensão em torno de 50 metros e são
separados por etapas com intervalos de 50 microssegundos. Tão logo a parte frontal do
líder escalonado se estenda até aproximadamente 10 a 20 metros do solo, uma descarga
ascendente denominada descarga conectante propaga-se em sua direção. Esta descarga
geralmente vinda de objetos pontiagudos no solo como árvores e edifícios, ao conectar com
a parte frontal do líder escalonado se transforma numa descarga de intensa luminosidade
denominada descarga de retorno. A duração do líder escalonado é de aproximadamente 20
milissegundos
sendo
a
luminosidade
observada
somente
durante
os
últimos
microssegundos através de câmeras de alta velocidade (Magono, 1980).
Figura 1: Esquema ilustrativo do processo de descarga dentro de um relâmpago nuvem-solo
negativo.
O sistema óptico pode identificar a forma física das tempestades e das descargas
atmosféricas. Um sistema de câmeras de vídeo pode identificar o tipo, a velocidade de
propagação e a duração das tempestades bem como a multiplicidade e a ramificação das
descargas atmosféricas. Uma câmera de vídeo comum captura cerca 30 quadros por
segundo, taxa de captura suficiente para identificar as tempestades e as descargas múltiplas.
No entanto as câmeras comuns perdem o registro dos passos de formação das descargas que
são importantes para identificar a ramificação e a tortuosidade do canal bem como,
confirmar a presença de corrente contínua do relâmpago. Eventos ocorridos em campanhas
anteriores na FEI mostraram vários eventos seguidos por corrente contínua (Gin et al.,
2006; 2007; 2009). Estes eventos mostram tempestades com extensas camadas de cargas,
que podem ser classificadas como tempestades severas. A figura 2 mostra um exemplo de
relâmpago nuvem-solo, seguido de corrente contínua de longa duração, ocorrido no dia 13
de fevereiro de 2008. O relâmpago nuvem-solo foi registrado a 10 km da FEI e teve
duração de aproximadamente 400 milissegundos. Este relâmpago apresentou polaridade
positiva e intensidade de corrente da ordem de 100 kA. Em geral as descargas de longa
duração não apresentam ramificações associadas ao canal principal e a intensidade de
corrente é da ordem de 20 kA. Assim, este evento ilustra a ocorrência de um caso atípico,
comum nesta região.
Figura 2. Seqüência de imagem do relâmpago nuvem-solo que ocorreu no dia 13 de
fevereiro de 2008 a 10 km da FEI. A duração de 400 milissegundos, a ramificação e a alta
intensidade de corrente deste evento, 100 kA, ilustra um caso atípico, comum nesta região.
O sistema óptico quando está acoplado aos sensores elétricos podem também identificar
mais informações sobre os eventos. A figura 3 ilustra a forma de onda do campo elétrico
de uma descarga nuvem-solo (CG) e uma descarga intra-nuvem (IC) registradas no dia 17
de março de 2009 na FEI. Os transientes das descargas foram registrados pelos sensores
ópticos e sensores elétricos, simultaneamente. Estes registros podem identificar se uma
descarga nuvem-solo é múltipla, se apresenta corrente contínua e/ou ramificação. Estas
informações auxiliam na caracterização das tempestades e na identificação do fenômeno
(Gin et al., 2005; 2006; 2009).
IC
CG
(a)
IC
CG
CG
(b)
Figura 3. Descarga atmosférica registrada pelo vídeo (a) e transiente das respectivas
descargas registradas pelos sensores de campo elétrico (b), para a tempestade ocorrida no
dia 17 de março de 2009 próximo à FEI.
Materiais e Métodos
A pesquisa que estamos desenvolvendo aqui na FEI envolve várias técnicas de medida de
descargas atmosféricas. Neste projeto vamos utilizar a técnica de monitoramento óptico,
através de uma câmera de alta velocidade, para identificar todas as fases de uma descarga
atmosférica. Várias descargas atmosféricas seguidas de corrente contínua têm sido
observadas nesta região. Assim, este projeto visa complementar o monitoramento óptico
desenvolvido na FEI trazendo informação mais detalhada sobre a propagação e a estrutura
física das descargas atmosféricas nesta região.
Neste projeto iremos utilizar uma câmera rápida, Hi-Dcam II, já disponível na FEI. Esta é
uma câmera de alta velocidade que captura imagens em até 16 mil quadros por segundo. A
alta taxa de captura das imagens garante a aquisição de todas as fases do evento. No
entanto, esta alta taxa de captura limita a quantidade de eventos capturados. Assim,
precisamos criar um método para capturar e armazenar os eventos de interesse, adaptando o
sistema atual para obtenção de uma maior quantidade de eventos. A câmera atual é operada
via software e acionada manualmente. Desta forma, iremos desenvolver um disparador
eletrônico que inicie a captura das imagens no momento e no setor desejado. Deve-se criar
também um método para a transferência rápida dos dados com o intuito de otimizar o
tempo entre os disparos. Estas adaptações serão necessárias para que a câmera não
desperdice os eventos. Além da captura de imagem de descargas atmosféricas naturais
iremos desenvolver um sistema de controle de temperatura e umidade para ser aplicado em
um gerador de descargas artificiais. As imagens serão capturas em alta velocidade pela Hi
Dcam, identificando o percurso escolhido pela descarga artificial em varias condições de
temperatura e umidade. Este estudo complementa as informações de descargas naturais do
Projeto Relâmpago identificando as principais características de propagação das descargas
em ambiente controlado. O gerador de descargas artificiais já está disponível na FEI.
Atualmente já dispomos do material e das ferramentas computacionais necessárias para este
projeto. O aluno já vem desenvolvendo a estrutura dos sensores ópticos e demonstra
habilidade e interesse no desenvolvimento deste projeto.
Como este projeto é inter_disciplinar, estaremos utilizando a infra-estrutura e os
laboratórios dos departamentos de física e de elétrica da FEI.
Segue o cronograma de execução das principais atividades que serão desenvolvidas durante
este projeto.
Cronograma: Etapas \ meses
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Introdução à Eletricidade atmosférica
Introdução a sistemas ópticos de medição
Desenvolvimento e aplicação do
disparador da câmera rápida
Desenvolvimento e aplicação da câmara
de temperatura e umidade
Participação no monitoramento óptico
contínuo: Campanha 2010-2011
Redução de dados das campanhas
Classificação e análise de eventos:
Comparação dos resultados com outras
técnicas
Divulgação dos resultados
Relatórios
Referências Bibliográficas
[1]Holle, R. L.; Cooper, M How to decrease today’s lightning disabilities. In,
International Conference On Atmospheric Electricity, 2000, Guntersville, Alabama,
International Conference on Atmospheric Electricity, 2000.
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