Que tipo de partículas podem ser responsáveis pela condução de eletricidade?

O ar é composto por uma mistura de gases e partículas, sendo os principais: nitrogênio, oxigênio, vapor d’água (eventualmente gotículas de água e partículas de gelo) e aerossóis. Os aerossóis atuam como núcleos de condensação e são partículas sólidas e líquidas em suspensão, originárias da combustão de materiais, de fragmentos provenientes da atividade industrial (poluição), de poeira e de partículas de sal provenientes dos oceanos.

A atmosfera da Terra pode ser dividida em diferentes regiões com base em diferentes parâmetros. Com relação à temperatura, a atmosfera é dividida em troposfera, estratosfera, mesosfera e termosfera.

O limite entre a troposfera e a estratosfera, onde a temperatura para de diminuir e começa a aumentar com a altura, é chamado de tropopausa. O nível de temperatura máxima em torno de 50 km (cerca de 270 K) é chamado estratopausa e separa a estratosfera da mesosfera. O nível de temperatura mínima em torno de 80 km (cerca de 180 K) é chamado de mesopausa e separa a mesosfera da termosfera.

O perfil de temperatura é variável com o tempo e o local. Em alguns casos, a troposfera apresenta finas camadas dentro das quais a temperatura aumenta com a altura – fenômeno conhecido como inversão. A altura da tropopausa também depende do tempo e do local e principalmente da latitude geográfica. Abaixo de cerca de 20 graus de latitude, ela está normalmente localizada entre o quilômetro 15 e 18, enquanto que, perto dos polos, ela pode estar em alturas tão baixas quanto 8 km.

Do ponto de vista dos íons e da condutividade, a atmosfera pode ser dividida em: atmosfera inferior (correspondente à troposfera), média atmosfera (estratosfera e mesosfera) e atmosfera superior (acima de 85 km de distância, termosfera).

A atmosfera inferior e a média atmosfera são fracamente condutoras por ter pequena concentração de íons. Nessas regiões, os íons são criados pela ionização de moléculas neutras do ar, geralmente moléculas de nitrogênio e oxigênio, por raios cósmicos primários e secundários e por partículas e radiação produzida pelo decaimento radioativo de substâncias no solo, como urânio e tório, e no ar, como gás radônio. Como resultado da ionização das moléculas, elétrons livres e íons positivos são criados. Os elétrons são rapidamente ligados a outras moléculas neutras produzindo íons negativos. A produção de íons por raios cósmicos varia com a altitude e a latitude.

A produção de íons devido ao decaimento de substâncias radioativas depende das características do solo. Em particular, nos oceanos ela é várias ordens de magnitude menor do que nos continentes.

Em geral, a razão média de ionização (produção de pares de íons) sobre os continentes devido a substâncias radioativas é predominante sobre aquela devida a raios cósmicos abaixo de 1 km. Acima de 1 km, a razão de ionização é dominada por raios cósmicos.

A razão de ionização é também dependente das condições meteorológicas e das atividades geomagnética e solar. Após os íons serem formados, eles reagem com as moléculas neutras e prendem-se a moléculas de água, do vapor d’água sempre existente na atmosfera, formando aglomerados de íons. Estes aglomerados são relativamente estáveis e constituem a maioria dos íons de tamanho molecular, também chamados de pequenos íons.

Quando os pequenos íons agregam-se às partículas de aerossóis, eles formam grandes íons. Em geral, grandes íons estão presentes na atmosfera em menores concentrações do que os pequenos íons, exceto em regiões com altos níveis de poluição onde podem ser mais numerosos.

Durante condições estacionárias, a concentração de pequenos íons em um dado instante e local é o resultado do balanço entre a produção (razão de ionização) e a destruição de íons. Pequenos íons são destruídos pela recombinação entre eles e pela combinação com grandes íons e partículas de aerossóis. A concentração média total de pequenos íons sobre os continentes e sobre os oceanos é aproximadamente a mesma e da ordem de 1000 cm-3, muito embora a razão de ionização sobre o oceano seja menor devido à ausência de elementos radioativos. Este fato, entretanto, é compensado pela menor razão de destruição devido à baixa concentração de aerossóis. Existem mais íons pequenos positivos do que negativos e a diferença é responsável pela existência de uma carga líquida positiva na atmosfera. A existência desta carga líquida próxima à superfície da Terra implica que um processo adicional de íons deva existir desde que o processo de ionização produza iguais concentrações de íons negativos e positivos.

Um destes processos é chamado descarga pontual ou corona, e está associado com largos campos elétricos que ocorrem próximos às tempestades. À medida que o campo elétrico aumenta, o campo ao redor de objetos pontiagudos alcança valores suficientes para a quebra de rigidez do ar, produzindo pequenas descargas na atmosfera. Como consequência, um largo número de íons de uma polaridade é injetado na atmosfera. Os íons de uma só polaridade podem também ser formados na atmosfera próximos a quedas d’água (íons negativos) e por ondas nos oceanos (íons positivos).

A presença da superfície da Terra influencia a concentração de íons, aerossóis e partículas radioativas por meio da distribuição de ventos, temperatura e vapor d’água. Tal influência é dominada pela turbulência. A camada na qual esta influência é significativa é chamada camada planetária ou camada limite. A profundidade desta camada é altamente variável, indo de dezenas de metros até 3 km acima do solo. A maioria das medidas elétricas na atmosfera é feita dentro desta camada.

Diferentemente da atmosfera inferior e da média atmosfera, na atmosfera superior existem além dos íons negativos e positivos uma considerável quantidade de elétrons livres produzidos pela absorção da radiação solar por átomos e moléculas. Este processo é chamado de fotoionização. Os elétrons podem então se unir às moléculas neutras criando íons negativos. Os elétrons e íons criados por este processo tornam a atmosfera um razoável condutor, formando uma região chamada ionosfera.

Iniciando-se na parte superior da ionosfera e estendendo-se para cima, está localizada a magnetosfera, região onde a dinâmica das partículas é governada pelo campo magnético da Terra. Os íons, prótons e elétrons nesta região são originários da ionosfera e do vento solar, um fluxo de partículas carregadas provenientes do sol que atinge a atmosfera da Terra. Na parte interna da magnetosfera, partículas carregadas são aprisionadas pelo campo magnético formando cinturões de radiação ao redor da Terra.

Na atmosfera inferior e média atmosfera, íons negativos e positivos movem-se em resposta aos campos elétricos. Durante seu movimento eles colidem com partículas neutras, as quais atuam de modo a impedir o movimento. A facilidade dos íons de se moverem através das partículas neutras é descrita por um fator denominado mobilidade, o qual depende da massa e da carga dos íons, da densidade de partículas neutras e da temperatura.v

A capacidade da atmosfera de conduzir uma corrente elétrica é expressa em termos de sua condutividade. A condutividade é isotrópica na atmosfera inferior e média atmosfera, sendo dada pelo produto da densidade de íons, a carga dos íons e a mobilidade. Somente os íons pequenos contribuem para a condutividade, desde que a mobilidade dos íons grandes for várias ordens de grandeza menor.

Na atmosfera inferior as condutividades de íons negativos e positivos não são exatamente iguais. A condutividade na atmosfera inferior e na média atmosfera aumenta com a altitude. Esta variação é, principalmente, devido ao aumento da mobilidade com a altitude em consequência da diminuição da densidade da atmosfera. A condutividade também varia com a latitude devido à variação da intensidade de raios cósmicos, e tende a ser maior em altas latitudes. Perto da superfície da Terra, a condutividade apresenta variações em associação com a presença de neblina ou poluição. Na atmosfera superior, a condutividade é anisotrópica devido ao fato da mobilidade de íons e elétrons depender da direção do campo magnético.

A condutividade da atmosfera dá origem a uma propriedade denominada tempo de relaxação, que representa o tempo para a atmosfera blindar a carga de um objeto imerso nela por um fator de e-1 (0,37). O tempo de relaxação, em condição de tempo bom, é dado pela permissividade do ar dividida pela condutividade. Após cerca de cinco vezes o tempo de relaxação, toda a carga do objeto será blindada. Perto do solo, o tempo de relaxação é cerca de 10 minutos. À medida que a condutividade aumenta com a altitude na atmosfera, o tempo de relaxação diminui. Em 10 km, o tempo de relaxação é cerca de um minuto.