Andrea Stöllner: lasers e uma partícula microscópica para entender o início dos raios

Quando os experimentos de Andrea Stöllner não se comportaram como ela esperava - algo comum na ciência -, o desvio acabou abrindo caminho para algo ainda mais intrigante: uma forma de observar o que poderia ser a faísca inicial de um raio usando lasers e uma única partícula microscópica.

Stöllner, investigadora em física do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria, liderou um estudo com uma equipa internacional para explorar uma capacidade conhecida, mas pouco compreendida, de “pinças” ópticas: a de carregar electricamente partículas presas no feixe de luz. A técnica oferece aos cientistas uma nova via para investigar um dos fenómenos mais impressionantes da natureza.

O mistério de como um raio começa

Como um raio se inicia é um dos maiores enigmas da ciência da atmosfera. Existem várias teorias, todas voltadas a explicar o que dá partida à cascata eléctrica dentro das nuvens que, no fim, resulta numa descarga luminosa.

Quase 9 milhões de raios iluminam a Terra diariamente, serpenteando pelas nuvens por centenas de quilómetros nos casos mais extremos.

Mesmo assim, apesar de sabermos tanto sobre a física de objectos distantes nos confins do Universo, surpreende que ainda seja incerto o que dispara os raios dentro de nuvens que estão a apenas alguns quilómetros acima das nossas cabeças.

Sabe-se que nuvens de tempestade ficam fortemente carregadas. A hipótese mais aceite diz que cristais de gelo no interior das nuvens ganham carga ao colidirem com um tipo de granizo mole chamado graupel; as cargas opostas acabam separadas, formando um campo eléctrico.

O problema é que os campos eléctricos medidos dentro das nuvens tendem a ser relativamente fracos - longe de atingir a intensidade necessária para transformar o ar num condutor por onde a corrente consiga fluir.

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

Segundo Stöllner explicou à ScienceAlert, pode ser que existam bolsões de campos eléctricos muito mais intensos no interior das nuvens que ainda não foram detectados, ou que cristais de gelo, de alguma forma, consigam criar a primeira faísca de que um raio precisa para começar.

Outra possibilidade envolve raios cósmicos de alta energia: eles poderiam ionizar o ar, gerando uma “chuva” de electrões livres que acabaria por se transformar numa descarga.

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

As explicações sobre a iniciação dos raios circulam desde as décadas de 1950 e 1960, apoiadas sobretudo em observações e simulações computacionais, e raramente colocadas à prova em experiências de laboratório.

O que já foi medido (e o que continua em aberto)

Para tentar entender o que ocorre dentro de nuvens de tempestade, cientistas já enviaram balões meteorológicos para medir condições no interior dessas nuvens, fizeram aeronaves atravessarem tempestades e usaram câmaras de alta velocidade e sensores para registar descargas - e até as reacções fotonucleares que elas desencadeiam.

Ainda assim, o mecanismo exacto que dá início a um raio permanece uma questão em aberto.

Stöllner não começou a sua investigação com o objectivo de estudar a origem dos raios, mas é para lá que o trabalho está a apontar.

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

Pinças ópticas e lasers: uma partícula de sílica como modelo

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 eléctrica dessa partícula. À medida que uma partícula de sílica inicialmente neutra acumula carga, ela passa a “tremer” no campo eléctrico alternado presente ao longo do laser.

As medições da equipa indicam que a partícula neutra de sílica provavelmente absorve dois fotões do laser; isso fornece energia suficiente para libertar electrões, deixando a partícula com carga positiva.

No entanto, Stöllner também percebeu um comportamento inesperado: por vezes, depois de uma partícula ficar presa durante semanas, ela subitamente parava de tremer tanto - uma descarga espontânea que, se acontecesse na atmosfera, poderia disparar algo maior, como um raio.

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

Por enquanto, a ligação directa com raios é bastante especulativa, e Stöllner continua a analisar essas descargas e a testar se o tamanho da partícula, a humidade ou a pressão influenciam o fenómeno.

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

Dan Daniel, físico do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, no Japão - que não participou do estudo -, disse à ScienceAlert que a capacidade de prender uma única partícula submicrométrica, carregá-la de modo controlável e medir a sua carga “com uma resolução extraordinária” é “genuinamente impressionante”.

“Isto é exactamente o nível de precisão necessário para, eventualmente, investigar o carregamento de gotículas de água ou de partículas de gelo - um passo essencial rumo a um entendimento verdadeiramente microscópico de raios, electrificação de nuvens e electricidade atmosférica”, explicou Daniel.

O método também é, em certos aspectos, mais realista porque não usa eléctrodos metálicos para medir carga. Em vez disso, as partículas ficam suspensas no ar, como aerossóis na atmosfera.

De acordo com Stöllner, a abordagem ainda recorre a campos eléctricos mais fracos do que os usados em experiências anteriores de laboratório.

Por outro lado, acredita-se que, nas nuvens, os principais protagonistas da iniciação dos raios sejam cristais de gelo - e eles são complexos e peculiares à sua maneira.

Daniel também observa que a luz solar que atinge a atmosfera terrestre é muito mais fraca do que os lasers empregados nessas experiências. Ainda assim, há algumas evidências de que poeira e aerossóis conseguem ficar carregados sob radiação ultravioleta - provavelmente por um processo de um único fotão, e não por múltiplos fotões, diz Daniel.

A poeira na Lua, que é bombardeada por luz ultravioleta e ventos solares, também se carrega e levita, atrapalhando veículos e instrumentos lunares.

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

O estudo foi publicado em Cartas de Revisão Física.

Parte da apuração deste artigo 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 da matéria.