Como Andrea Stöllner usa lasers e uma única partícula para investigar o início dos raios

Na ciência, é comum que um experimento que não sai como previsto acabe abrindo uma porta ainda mais interessante. Foi assim que Andrea Stöllner chegou a uma forma de investigar o que pode ser a faísca inicial de um raio - recorrendo a lasers e a uma única partícula microscópica.

Stöllner, pesquisadora em Física no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA), liderou um estudo com uma equipa internacional para explorar uma capacidade conhecida, mas pouco compreendida, das chamadas pinças ópticas: elas conseguem carregar eletricamente partículas que ficam “presas” pela luz. Isso cria um novo caminho para estudar um dos fenómenos mais imponentes da natureza.

Por que a iniciação de raios continua um enigma

Como um raio começa é uma das grandes incógnitas da ciência atmosférica. Existem várias hipóteses que tentam explicar o que desencadeia, dentro das nuvens, a cascata elétrica que termina num raio.

Perto de 9 milhões de raios iluminam a Terra todos os dias, serpenteando por entre as nuvens e, nos casos mais extremos, percorrendo centenas de quilómetros.

Mesmo assim, considerando tudo o que a Física já descreve sobre objetos distantes nas regiões mais remotas do Universo, causa estranheza que ainda não se saiba ao certo o que dispara um raio dentro de nuvens a apenas alguns quilómetros acima das nossas cabeças.

Para tentar resolver o problema, cientistas já enviaram balões meteorológicos para medir condições no interior de nuvens de tempestade, voaram aeronaves através de tempestades e usaram câmaras de alta velocidade e sensores para registar descargas - e as reações fotonucleares que elas podem desencadear.

Ainda assim, o mecanismo exato de arranque do raio continua em aberto.

Sabe-se que nuvens de tempestade ficam fortemente carregadas. A explicação mais aceite é que cristais de gelo dentro das nuvens ganham carga quando colidem com um tipo de granizo mole chamado graupel; cargas opostas se separam e formam um campo elétrico.

O obstáculo é que os campos elétricos medidos no interior das nuvens costumam ser relativamente fracos - longe do necessário para transformar o ar num condutor por onde a corrente consiga fluir.

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

Uma possibilidade, segundo Stöllner disse ao ScienceAlert, é que existam bolsões com campos elétricos mais intensos no interior das nuvens que ainda não foram detetados. Outra é que os próprios cristais de gelo consigam criar a primeira faísca de que um raio precisa para começar.

Também entram na lista os raios cósmicos de alta energia: eles podem ionizar o ar e gerar uma “chuva” de elétrons livres que, em seguida, se converte num raio.

“Mas, ao mesmo tempo”, diz Stöllner, “pode ser algo completamente diferente ou uma mistura de todas essas coisas; nós não sabemos”.

Essas ideias circulam desde as décadas de 1950 e 1960, apoiadas sobretudo em observações e simulações computacionais, e com poucas verificações em laboratório.

Stöllner não iniciou o trabalho com o objetivo direto de explicar a origem dos raios - mas é nessa direção que a pesquisa acabou apontando.

“Eu acho que agora é um bom momento para retomar essa pergunta porque temos a tecnologia para isso”, afirma Stöllner, doutoranda nos laboratórios do físico Scott Waitukaitis e da cientista do clima Caroline Muller.

Pinças ópticas com lasers: aprisionar e carregar uma partícula

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

As medições do grupo indicam que a partícula neutra de sílica provavelmente absorve dois fótons do laser; com essa energia, elétrons são excitados e libertados, deixando a partícula com carga positiva.

Descargas espontâneas e o que elas podem indicar

Ao acompanhar o sistema, Stöllner também viu algo inesperado: em alguns casos, depois de uma partícula ficar presa durante semanas, ela de repente quase parava de tremer - um tipo de descarga espontânea que, se algo semelhante acontecesse na atmosfera, poderia servir de gatilho para um evento maior, como um raio.

“Nós não sabemos como isso acontece, mas basicamente a carga simplesmente cai muito rápido”, diz Stöllner. “Estamos muito interessados em descobrir o que causa isso, e essa é, na prática, praticamente a mesma pergunta da iniciação de raios, só que numa escala minúscula, minúscula.”

A ligação com raios, por enquanto, é bastante especulativa. Por isso, Stöllner segue a investigar as descargas e a testar se o tamanho da partícula, a humidade ou a pressão alteram o comportamento.

“De certa forma, isso é uma limitação do nosso estudo porque tudo é super minúsculo, e 10 elétrons não fazem um raio”, diz Stöllner. “Mas, por outro lado, é uma forma de alta resolução para sondar esse carregamento e descarregamento numa única partícula.”

O que outros especialistas veem no método

Dan Daniel, físico do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST), no Japão - e que não participou do estudo - disse ao ScienceAlert que conseguir aprisionar uma única partícula submicrométrica, carregá-la de modo controlado e medir a sua carga “com resolução extraordinária” é “verdadeiramente impressionante”.

“Esse é exatamente o nível de precisão necessário para, no futuro, investigar o carregamento de gotículas de água ou de partículas de gelo - um passo essencial para uma compreensão realmente microscópica dos raios, da eletrificação de nuvens e da eletricidade atmosférica”, explicou Daniel.

Por que o arranjo experimental se aproxima mais do mundo real

Segundo Stöllner, o método tem um ganho de realismo por não recorrer a elétrodos metálicos para medir carga. Em vez disso, as partículas ficam suspensas no ar, como aerossóis na atmosfera.

Além disso, a abordagem trabalha com campos elétricos mais fracos do que os usados em experiências laboratoriais anteriores, segundo a pesquisadora.

Ainda assim, presume-se que, dentro das nuvens, os protagonistas da iniciação dos raios sejam cristais de gelo - e não aerossóis -, e esses cristais têm características complexas e, em muitos aspetos, pouco intuitivas.

Daniel também chama a atenção para outra diferença importante: a luz solar que chega à atmosfera terrestre é muito mais fraca do que os lasers usados nesses testes. Mesmo assim, há indícios de que poeira e aerossóis podem ficar carregados sob radiação UV - provavelmente por um processo de fóton único, e não por absorção de múltiplos fótons, segundo Daniel.

A poeira na Lua, que é bombardeada por luz UV e pelo vento solar, também adquire carga e chega a levitar, atrapalhando veículos robóticos e instrumentos de exploração.

Por isso, o enquadramento experimental é relevante “não apenas para raios e eletrificação de nuvens”, diz Daniel, “mas também para problemas em ciência planetária e exploração espacial”.

O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.

Parte da apuração desta matéria foi apoiada por uma residência de jornalismo financiada pelo Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria (ISTA). O ISTA não teve qualquer participação no conteúdo.