Raios e trovões: como funcionam

O que você está vendo

Todo mundo já contou os segundos entre um relâmpago e o trovão que vem depois dele. Esta exposição coloca você numa pequena cidade numa noite chuvosa, com uma tempestade à distância que você escolher, e permite que você faça essa contagem de verdade. Tudo na primeira cena está em tamanho real: as casas, a torre pontuda da igreja, as pessoas caminhando até o carro, a nuvem de tempestade e o canal do raio. A base da nuvem fica a cerca de 1,5 km de altura, o topo a cerca de 12 km, e um canal da nuvem ao solo tem vários quilômetros de comprimento. As pessoas ao lado dele têm 1,7 m de altura.

As outras seis cenas separam as partes do relâmpago. Uma corta a nuvem de tempestade ao meio para você ver o gelo que a eletriza. Outra desacelera um único relâmpago em até um milhão de vezes, até que o tênue líder escalonado, os filamentos ascendentes e a descarga de retorno brilhante aconteçam um depois do outro. Outra mostra os tipos de raios desde o solo até 90 km de altura, incluindo os sprites vermelhos e os jatos azuis que só foram registrados pela primeira vez em 1989 e 1994. Uma coloca um para-raios numa casa. Outra acompanha o som do trovão num mapa, trecho por trecho. A última mostra a Terra inteira com um ponto para cada relâmpago, cerca de 44 por segundo.

Abaixo do palco estão as regras de segurança da Korea Meteorological Administration (KMA) e do National Weather Service (NWS) dos Estados Unidos, um cronômetro para você contar um relâmpago, 16 desafios, um livro de raios com 47 verbetes, descobertas escondidas, cartões que corrigem erros comuns e um registro dos raios que você acompanhou.

Os primeiros dez segundos

A exposição começa durante a noite, com a tempestade situada a uma distância de 3,4 km. Cerca de um segundo depois de a cena aparecer, um canal corta o céu, com ramificações se espalhando a partir dele, e ilumina a nuvem por dentro. Um contador no meio do palco começa no mesmo instante em que ocorre o relâmpago. A luz percorre os 3,4 km em cerca de 11 microssegundos, portanto o relâmpago que você vê é, para qualquer finalidade, o instante em que o raio aconteceu. O som do trovão leva 9,9 segundos para chegar. Quando chega, o contador transforma o tempo numa distância: 9,9 segundos a 343 m por segundo são 3,4 km.

Arraste para olhar ao redor. Você está à altura dos olhos na beira de um campo, com casas atrás e à esquerda, uma torre de igreja com para-raios mais adiante e uma linha elétrica acompanhando a estrada. A tempestade está sobre o campo. Outros raios ocorrem automaticamente; o controle Atividade da tempestade define quantos por minuto, e o botão Raio no palco acrescenta um quando você quiser.

Contando os segundos

A regra prática é que o som percorre cerca de um quilômetro em três segundos, ou uma milha em cinco. O National Severe Storms Laboratory (NSSL) fornece as duas formas: o som percorre aproximadamente um terço de quilômetro ou um quinto de milha a cada segundo, portanto dividir os segundos por 3 dá quilômetros e dividir por 5 dá milhas. O NWS escreve assim: "5 segundos = 1 milha, 15 segundos = 3 milhas, 0 segundos = muito perto".

Essa regra prática funciona porque a velocidade da luz é cerca de um milhão de vezes maior que a velocidade do som. O relâmpago chega até você quase imediatamente; o trovão é a única parte do acontecimento que leva tempo para se propagar. A exposição mostra os dois números para cada raio: o atraso exato calculado com a distância e a temperatura, e a distância que você obteria ao aplicar a regra prática a partir desse atraso. A 20 °C, eles diferem em cerca de 3 %, porque o som percorre 343 m por segundo, não 333.

Você pode experimentar abaixo do palco. Aperte o primeiro botão quando vir um relâmpago no palco e o segundo quando ouvir o trovão (ou vir o contador indicá-lo). A exposição transforma seu tempo numa distância e a compara com a real. Fique dentro de 15 % e o desafio estará resolvido. Os mesmos dois botões funcionam numa tempestade real, desde que você observe de dentro de um local fechado.

Por que a resposta depende da temperatura

A velocidade do som no ar depende da temperatura, não da pressão. A exposição usa a fórmula do gás ideal: 331,3 m/s a 0 °C, multiplicados pela raiz quadrada da temperatura absoluta dividida por 273,15 K. Isso dá 343,2 m/s a 20 °C, cerca de 325 m/s a −10 °C e cerca de 352 m/s a 35 °C, um aumento de aproximadamente 0,6 m/s a cada grau.

Portanto, a mesma contagem significa distâncias ligeiramente diferentes numa noite fria e numa tarde quente. Uma contagem de três segundos a −10 °C corresponde a 976 m; a 35 °C corresponde a 1056 m, cerca de 80 m a mais. O controle Temperatura do ar altera a velocidade do som em toda a exposição, incluindo o mapa do trovão e o interior da nuvem, onde desloca o nível de congelamento.

Quanto o canal de um raio esquenta

O raio em si é um movimento de cargas elétricas e não tem uma temperatura própria. O que esquenta é aquilo por onde a corrente passa. O ar é um péssimo condutor, por isso se aquece violentamente. O NWS fornece 50.000 °F para o ar no canal, que descreve como cerca de cinco vezes mais quente que a superfície do Sol. A NASA situa a superfície visível do Sol, a fotosfera, em cerca de 10.000 °F (5500 °C). Em Celsius, 50.000 °F são cerca de 27.760 °C.

O NSSL fornece uma faixa, de 18.000 a 60.000 °F, e diz que o aquecimento acontece "em apenas alguns milionésimos de segundo". O relatório anual de raios da KMA fornece de 20.000 a 30.000 °C. Os números diferem porque o canal não tem uma única temperatura: fica mais quente no pico da corrente e esfria rapidamente depois, e métodos diferentes captam momentos diferentes.

Quando um raio atinge uma árvore, o calor transforma a água do interior em vapor, que pode arrancar uma faixa de casca ou partir o tronco. Quando atinge areia ou solo, pode derretê-los, formando um tubo vítreo ao longo do caminho da corrente. Esses tubos se chamam fulguritos; um aparece na cena do para-raios quando um raio chega ao terreno aberto.

Como uma nuvem de tempestade ganha carga

Uma tempestade cresce onde o ar quente e úmido sobe com força suficiente para levar uma nuvem muito acima do nível de congelamento. O NWS descreve o interior de uma tempestade madura: pequenos cristais de gelo na parte superior, uma mistura de cristais de gelo e granizo pequeno no meio, e chuva e granizo derretendo mais abaixo.

A carga aparece no meio da nuvem, onde três coisas se encontram: graupel (granizo mole com diâmetro de um quarto de milímetro a alguns milímetros, que cresce capturando gotículas super-resfriadas), pequenos cristais de gelo e água super-resfriada. Quando o graupel e os cristais de gelo colidem e se afastam, um pouco de carga passa de um para o outro. O NSSL chama isso de processo não indutivo, porque não precisa de um campo elétrico para começar, e observa que "os mecanismos físicos exatos não são completamente compreendidos".

A direção em que a carga se desloca depende da temperatura. Trabalhos de laboratório, começando com Takahashi em 1978, constataram que o graupel recebe carga positiva em temperaturas um pouco abaixo do congelamento e carga negativa onde faz mais frio. O NSSL diz o mesmo em termos simples. A temperatura em que o sinal muda depende da quantidade de água líquida na nuvem; a exposição usa −10 °C e a marca com um anel amarelo.

Onde a carga se acumula

Depois que as partículas ficam carregadas, a corrente ascendente faz a separação de cargas. Os cristais de gelo leves sobem mais depressa que o graupel pesado, de modo que a carga positiva se acumula no alto da nuvem e na bigorna, enquanto a carga negativa permanece no graupel no meio. Uma região positiva menor frequentemente se forma embaixo, onde o graupel se carrega positivamente no ar ligeiramente mais quente. O solo sob a tempestade fica positivamente carregado em resposta à carga negativa acima dele.

A cena do interior da nuvem mostra isso. As alturas são reais; as partículas são desenhadas milhares de vezes maiores que o tamanho natural e o relógio anda rápido. Os anéis marcam 0, −10, −20 e −40 °C. Eles seguem um gradiente térmico padrão de 6,5 °C por quilômetro a partir da temperatura do solo, portanto uma tarde mais quente eleva todos eles. Cada faísca marca uma colisão: azul onde o graupel recebeu carga negativa, vermelha onde recebeu positiva. Quando a carga negativa principal se acumula o suficiente, a nuvem descarrega, geralmente dentro dela mesma, às vezes para o solo. O controle Corrente ascendente define a força com que o ar sobe e, assim, a frequência das colisões.

As tempestades fazem mais que produzir raios. O NSSL explica que elas agem como baterias no circuito elétrico global, mantendo a superfície da Terra negativa e o ar acima positivo. Com tempo bom, há um campo elétrico de cerca de 100 V/m próximo ao solo. Sem tempestades, diz o NSSL, esse equilíbrio desapareceria em cerca de cinco minutos.

O líder escalonado

Um raio que atinge o solo não começa no solo. A maioria dos relâmpagos, se não todos, começa dentro da nuvem. No tipo comum, um canal de carga negativa chamado líder escalonado cresce para baixo. O NSSL o descreve descendo em zigue-zague, em segmentos de cerca de 50 jardas, com um padrão ramificado, invisível a olho nu, chegando ao solo "em menos tempo do que leva para piscar".

Cada passo se forma onde o ar adiante já está sendo ionizado na forma de muitos filamentos tênues; o filamento que transporta mais corrente se torna o próximo passo. Uma revisão de Rakov (2013) fornece uma velocidade média de descida de cerca de 200 km/s. Um canal de 6 km de comprimento leva cerca de 30 milésimos de segundo.

A cena em câmera lenta faz um líder crescer da mesma maneira. Começando sob a base da nuvem, cada passo avança cerca de 46 m numa direção ligeiramente nova, atraído para o solo, mas com desvios; ramos laterais se separam e morrem. O tempo que o líder leva para chegar a cada ponto é o comprimento do caminho dividido por 200 km/s. O palco reproduz o líder até 500 vezes mais devagar, independentemente do que indicar o controle Câmera lenta, de modo que um líder que leva algumas dezenas de milissegundos na vida real desce em cerca de 10 segundos; o controle define a lentidão da reprodução da descarga de retorno.

Filamentos e o momento do contato

À medida que o líder se aproxima do solo, o campo elétrico no topo dos objetos altos fica forte o suficiente para que eles emitam faíscas para cima. O NSSL diz que isso começa quando o líder está a menos de cerca de 100 jardas acima do solo, e que árvores, arbustos e edifícios fazem isso. Objetos mais altos têm mais probabilidade de produzir o canal ascendente, por isso têm mais probabilidade de ser atingidos.

Geralmente, só um filamento encontra o líder. O NWS inclui os filamentos entre as cinco maneiras pelas quais os raios ferem pessoas: quando o canal principal descarrega, todos os outros filamentos na área também descarregam, portanto uma pessoa que faça parte de um deles pode se ferir mesmo que o raio não tenha se conectado por meio dela. Na cena lenta, o para-raios, a árvore, o poste e até a pessoa emitem filamentos ascendentes; em ×100.000, você pode observar qual deles se conecta.

A descarga de retorno

No instante em que o líder se conecta, uma corrente potente começa a fluir. Essa é a descarga de retorno: uma onda de corrente e luz que corre do solo de volta para cima pelo canal. É a parte brilhante que você vê. O NSSL fornece sua velocidade como cerca de 60.000 milhas por segundo. Medições com câmera de varredura de Idone e Orville (1982) encontraram uma média de 1,1 × 10⁸ m/s próximo ao solo, cerca de um terço da velocidade da luz, com primeiras descargas um pouco mais lentas, a 9,6 × 10⁷ m/s.

Nessa velocidade, a descarga de retorno sobe cerca de 1,1 km em 10 microssegundos, um centésimo de milésimo de segundo. Um canal de 6 km se ilumina de baixo para cima em cerca de 55 microssegundos. É por isso que o controle Câmera lenta chega a ×1.000.000: nessa configuração, um microssegundo real leva um segundo na tela, e você pode observar a luz subir pelo canal.

Quanta corrente passa? O NWS descreve um relâmpago típico com cerca de 300 milhões de volts e 30.000 amperes, em comparação com 120 volts e 15 amperes de um circuito doméstico. O NSSL fornece de 100 milhões a 1 bilhão de volts. O controle Corrente de pico define a corrente usada na cena do para-raios, de 5 a 300 kA; 30 kA é a mediana comumente citada para primeiras descargas.

Por que o relâmpago pisca

Um relâmpago raramente termina com uma descarga só. Depois da primeira descarga de retorno, o canal esfria, mas continua mais fácil de romper eletricamente que o ar ainda não percorrido. Dezenas de milissegundos depois, um líder contínuo desce pelo mesmo caminho, sem passos, e outra descarga de retorno se segue. O NSSL diz que um relâmpago negativo pode ter uma ou até 20 descargas de retorno; vemos isso como uma cintilação.

A cena lenta reproduz as descargas em ordem: descarga, brilho, uma pausa entre descargas, o líder contínuo, a próxima descarga. O controle Descargas de retorno define quantas. Muitos relâmpagos também chegam ao solo em mais de um lugar. O NWS cita testes nos Estados Unidos e no Japão que encontraram múltiplos pontos de contato com o solo em pelo menos metade dos relâmpagos negativos e em mais de 70 % dos positivos.

Raios positivos

Com menor frequência, ocorre um relâmpago que leva carga positiva até o solo. Esses raios positivos geralmente vêm da parte superior da tempestade ou da bigorna, muitas vezes longe da chuva. O NSSL diz que eles normalmente têm uma única descarga de retorno, têm maior probabilidade de transportar uma corrente sustentada e podem ser considerados mais perigosos porque sua corrente de pico costuma ser mais forte e sua corrente contínua dura mais, o que também se acredita torná-los mais capazes de iniciar incêndios.

Raios que nunca chegam ao solo

A maioria dos raios nunca toca o solo. Os relâmpagos que permanecem dentro de uma única nuvem são chamados de intranuvem (IC); os que passam entre nuvens são nuvem-nuvem; aqueles cujos canais avançam para o ar limpo sem atingir nada são nuvem-ar. O NSSL estima aproximadamente 5 a 10 vezes mais relâmpagos em nuvens que no solo, e raios-aranha, canais longos rastejando pela face inferior da bigorna, aparecem numa de suas fotografias. Quando um relâmpago na nuvem fica escondido dentro dela, a nuvem inteira parece se iluminar de uma vez; isso às vezes é chamado de relâmpago difuso.

A cena Tipos tem um botão para cada um: raios nuvem-solo negativos e positivos, intranuvem, nuvem-nuvem, nuvem-ar, um raio de céu azul, um raio ascendente de uma torre alta e quatro tipos acima da nuvem.

Raios de céu azul

Um raio de céu azul começa dentro da nuvem, sai pela lateral da tempestade, percorre um longo caminho lateralmente pelo ar limpo e depois vira para baixo. Pode atingir o solo onde o céu acima parece azul. O NWS diz que esses raios podem atingir o solo a uma distância de 10 a 15 milhas da tempestade, e que os raios em geral costumam atingir o solo a mais de três milhas do centro da tempestade, fora da chuva. O NSSL descreve um ciclista atingido sob um céu sem nuvens por um raio que provavelmente veio de uma tempestade a cerca de 10 milhas, escondida atrás de montanhas.

Essa é a razão por trás da regra mais simples do NWS. Se você consegue ouvir trovões, provavelmente está ao alcance de um raio.

Acima das nuvens

Durante a maior parte da história, ninguém sabia que as tempestades também produzem luz muito acima de seus topos. Na noite de 22 para 23 de setembro de 1989, pesquisadores que testavam uma câmera para baixa luminosidade captaram uma descarga ascendente sobre uma tempestade a 250 km; ela subiu dos topos das nuvens a 14 km para o ar limpo acima (Franz, Nemzek e Winckler, 1990). Campanhas com aeronaves em 1994 forneceram então as primeiras imagens coloridas e mediram as alturas.

Sprites vermelhos são clarões vermelhos com um corpo principal normalmente entre 50 e 90 km de altura e de 5 a 30 km de largura, com tênues filamentos azuis pendendo abaixo, que duram menos de 16 milissegundos (Sentman e outros, 1995). Geralmente aparecem acima de grandes raios positivos que atingem o solo. Astronautas os fotografaram da Estação Espacial Internacional.

Jatos azuis são cones estreitos de luz azul que sobem do topo da nuvem a cerca de 100 km/s e terminam entre 40 e 50 km (Wescott e outros, 1995). Jatos gigantes vão além, do topo da nuvem de tempestade até a ionosfera inferior, relatados por Pasko e colegas em 2002 e por Su e colegas em 2003.

Elves são anéis tênues que brilham de 75 a 105 km, com cerca de 100 a 300 km de diâmetro, em menos de um milissegundo (Fukunishi e outros, 1996). Acredita-se que sejam a ionosfera inferior aquecida pelo pulso de rádio de um relâmpago forte abaixo. Como se espalham tão depressa, o anel na exposição cresce ao longo de mais de um segundo: os eventos da alta atmosfera são mostrados cerca de 100 vezes mais devagar que na realidade.

Raios gama e antimatéria

Em 1994, detectores no Compton Gamma Ray Observatory, construído para observar o universo distante, registraram clarões breves e intensos de raios gama vindos da Terra (Fishman e outros, 1994). Esses clarões terrestres de raios gama têm sua origem em tempestades; elétrons acelerados a milhões de elétron-volts emitem raios gama à medida que vão desacelerando. Em 2011, a espaçonave Fermi detectou feixes de elétrons e pósitrons, os parceiros de antimatéria dos elétrons, enviados para cima por tempestades (Briggs e outros, 2011). Um pequeno satélite de cor dourada na cena Tipos abre um cartão a respeito deles.

Onde os raios atingem

O NWS lista três fatores que decidem onde um raio atinge: altura, formato pontudo e isolamento. A presença de metal não faz diferença quanto ao local que será atingido. Ele conduz corrente, e é por isso que o NWS recomenda manter distância de cercas de metal, corrimãos e arquibancadas.

Os raios também podem atingir um mesmo lugar mais de uma vez. O Empire State Building é atingido em média 23 vezes por ano. O NSSL sugere duas razões para que isso aconteça. Com tantos raios, dois às vezes cairão perto um do outro por acaso; e algo num local, sua altura ou o solo sob ele, pode torná-lo uma fonte melhor de filamentos ascendentes. Na primeira cena, uma torre alta na cidade no horizonte é uma das descobertas escondidas, e o botão Torre alta envia um raio até ela.

Distância de atração e a esfera rolante

O último salto entre o líder e o solo só é decidido quando o líder está perto. Engenheiros descrevem isso com a distância de atração: a distância a partir da ponta do líder na qual um objeto pode lançar o filamento que se conecta. Desenhe uma esfera com esse raio ao redor da ponta; o primeiro objeto dentro dela é o atingido.

A fórmula tradicional usada na proteção contra raios é S = 10 I^0,65, com S em metros e I como a corrente de pico em quiloamperes. Cooray, Rakov e Theethayi (2007) calcularam a carga no líder a partir de correntes medidas e propuseram, em vez disso, S = 1,9 I^0,90. Para a corrente mediana de primeira descarga de 30 kA, a fórmula antiga dá 91 m e a nova, 41 m. A cena do para-raios usa a mais recente e mostra as duas no painel de leitura.

A mesma ideia fornece o método da esfera rolante para posicionar para-raios: imagine uma esfera com a distância de atração como raio rolando sobre um edifício. Tudo o que ela toca pode ser atingido; o que ela não consegue alcançar fica protegido. Com a ponta do para-raios a 11,7 m de altura e uma esfera de 41 m, a esfera apoiada no para-raios e no solo deixa sem tocar uma faixa circular de terreno de cerca de 28 m ao redor do para-raios. A fórmula é r = √(2Sh − h²), em que h é a altura do para-raios.

O que faz um para-raios

Benjamin Franklin propôs o para-raios no início da década de 1750, e o relatório de raios da KMA situa a descoberta de que os raios são eletricidade em 1752, quando ele apresentou sua hipótese e propôs um experimento (Krider, 2006, conta a história). Um para-raios não puxa raios de longe. Ele oferece ao líder um lugar melhor para se conectar que o telhado, e um condutor dá à corrente um caminho até uma haste de aterramento, para que ela não passe pelo edifício.

Na cena do para-raios, o líder desce cerca de 900 vezes mais devagar, com sua esfera de distância de atração ao redor da ponta. Com o para-raios erguido, ele é quase sempre a primeira coisa dentro da esfera; o condutor de descida brilha e anéis de corrente se espalham a partir da haste de aterramento. Retire o para-raios com o botão Para-raios e o raio vai para a chaminé, a árvore, o carro, a cerca ou o terreno aberto.

Como os raios ferem pessoas

O NWS lista cinco maneiras pelas quais um raio atinge pessoas. Um impacto direto torna a pessoa parte do canal principal; é menos comum, mas o que tem maior probabilidade de matar. Uma descarga lateral salta de um objeto mais alto, geralmente uma árvore, para alguém a um ou dois pés de distância. A corrente de solo se espalha de um impacto pelo terreno e é o mecanismo que causa o maior número de mortes e lesões; também mata muitos animais de criação, porque a corrente tem um caminho longo entre suas patas dianteiras e traseiras. A condução transporta corrente por fios, encanamentos e metais até quem os toca, por isso o NWS recomenda não usar telefones com fio e ficar longe de encanamentos dentro de casa. Os filamentos, como descrito acima, são a quinta maneira.

Nos Estados Unidos, os raios mataram em média 20 pessoas por ano nos dez anos de 2016 a 2025, segundo os números preliminares do NWS. O NSSL situa a probabilidade de ser atingido num determinado ano em 1 em 1,2 milhão, e ao longo de uma vida de 80 anos em 1 em 15.300. Pessoas atingidas por raios não ficam carregadas: é seguro tocá-las, chamar ajuda e começar a reanimação cardiopulmonar.

Trovão: de onda de choque a estrondo

O trovão tem seu início na forma de uma onda de choque. A descarga de retorno aquece o canal em alguns milionésimos de segundo, mais depressa do que o ar consegue se expandir, portanto a pressão interna sobe bruscamente. O ar então se projeta para o lado de fora. O NSSL diz que a perturbação é uma onda de choque nas primeiras 10 jardas, aproximadamente, e uma onda sonora comum depois disso.

O trovão se prolonga porque um canal é comprido. Cada parte dele produz seu som no mesmo instante, mas as partes estão a distâncias diferentes de você. Você ouve a parte mais próxima primeiro, depois partes cada vez mais distantes; um canal que percorre quilômetros dentro da nuvem pode manter você ouvindo por dezenas de segundos. O NWS acrescenta que um estalo ou clique seco significa que o canal passou perto, enquanto um estrondo contínuo significa que o raio estava a pelo menos várias milhas, e que o forte estampido que às vezes se ouve vem do canal principal chegando ao solo.

A cena Trovão desenha isso num mapa. O canal desce até o solo e depois percorre vários quilômetros lateralmente dentro da nuvem. Cada trecho emite sua própria frente sonora; os anéis no solo mostram até onde cada uma chegou. Quando um anel passa por você, aquele trecho é ouvido, e o traçado acima do palco soma todos eles. O primeiro trovão vem do trecho mais próximo e o último, do mais distante; o painel fornece as duas distâncias e a duração do estrondo. Com você a 3 km do impacto, o primeiro som chega após cerca de 9 segundos e o último, mais de 30 segundos depois do relâmpago.

Até onde o trovão chega

O trovão enfraquece com a distância e perde seus tons agudos pelo caminho. O NSSL observa que as frequências mais altas são absorvidas mais depressa pelo ar, portanto o trovão próximo soa como algo se rasgando, depois um estalo, e o distante vira um estrondo grave; ele pode ser ouvido a até 25 milhas. O NWS diz que geralmente pode ser ouvido a cerca de 10 milhas quando não há ruído de fundo, e que trânsito, vento e chuva reduzem esse alcance. A KMA fornece cerca de 20 km, às vezes cerca de 40 km.

O controle Ruído de fundo usa um modelo simples, não uma medição: o nível do trovão diminui pela dispersão e pela absorção no ar, e ele é ouvido onde supera o ruído. A 30 dB, numa noite silenciosa, o modelo coloca o limite em cerca de 18 km; a 60 dB, perto do trânsito, em cerca de 4 km. Coloque a tempestade além desse limite e o relâmpago vem sem trovão algum. As pessoas chamam isso de relâmpago de calor, nome que sugere um tipo especial visto em noites quentes. O NSSL diz que é um relâmpago distante demais para que seu trovão seja ouvido.

44 relâmpagos por segundo

A resposta dos antigos livros didáticos para "quantos relâmpagos existem?" era 100 relâmpagos por segundo, uma estimativa feita em 1925 a partir de registros de dias com tempestades. Os satélites mudaram isso. O Optical Transient Detector observou o planeta inteiro por cinco anos e contou uma média de 44 ± 5 relâmpagos por segundo, somando intranuvem e nuvem-solo (Christian e outros, 2003). Isso equivale a cerca de 1,4 bilhão por ano. Os mesmos dados mostram relâmpagos principalmente sobre terra, com uma razão média entre terra e oceano de cerca de 10 para 1.

A cena Terra mostra um ponto para cada relâmpago, 44 por segundo em média, posicionados ao acaso, mas ponderados por um mapa. Esse mapa é um modelo construído a partir de latitude, terra e mar e dos dez focos de maior incidência publicados; é uma estimativa para a imagem, não a própria grade do satélite. O contador mostra quantos relâmpagos aconteceram na Terra desde que você abriu a cena.

Focos de raios

Usando 16 anos de observações do Lightning Imaging Sensor a bordo da Tropical Rainfall Measuring Mission, Albrecht e colegas (2016) classificaram os lugares com mais relâmpagos por quilômetro quadrado. O primeiro lugar não fica na África, como trabalhos anteriores haviam sugerido, mas sobre o lago Maracaibo, na Venezuela: cerca de 233 relâmpagos por quilômetro quadrado por ano. Tempestades se formam sobre o lago quente em 297 noites por ano, com pico em setembro, quando as brisas das montanhas, do lago e do mar se encontram. Os relâmpagos são tão regulares que os marinheiros já os usaram como farol.

Kabare, na República Democrática do Congo, fica em segundo lugar com 205. A África tem 283 dos 500 primeiros lugares e, observa a NASA, seis dos dez primeiros. Nos Estados Unidos, o NSSL diz que a maior frequência de raios nuvem-solo fica na Flórida entre Tampa e Orlando, onde o ar úmido e as brisas marítimas se encontram em muitos dias do ano.

Raios na Coreia

A rede de 21 sensores da KMA registra impactos no solo na Coreia do Sul com precisão mediana de localização de até 250 m. Seu relatório de raios de 2025 contou 106.750 impactos no solo em terra firme naquele ano. A média de dez anos, de 2016 a 2025, é de 105.385. O ano anterior teve atividade incomum: 145.784 impactos em 2024, e 27.431 num único dia, 5 de agosto, cerca de 19 % do total anual.

A maioria dos raios coreanos ocorre no verão. As médias mensais de dez anos são maiores em julho (37.073) e agosto (31.767) e menores em janeiro (42) e fevereiro (253). O laboratório abaixo do palco usa essas médias: escolha um mês e ele informa quantos impactos no solo o território coreano recebe, em média, naquele mês.

Recordes vistos do espaço

Um mapeador geoestacionário de raios observa a mesma metade do planeta o tempo todo, e isso tornou possível medir relâmpagos únicos com centenas de quilômetros de comprimento, chamados de megarrelâmpagos. Em 2025, a Organização Meteorológica Mundial certificou um recorde de distância: um relâmpago em 22 de outubro de 2017 que percorreu 829 km do leste do Texas até perto de Kansas City (Peterson e outros, 2025). Ele foi encontrado ao reexaminar dados do GOES-16 e superou o recorde anterior, de 768 km em 29 de abril de 2020. O recorde de duração é de um único relâmpago sobre o Uruguai e a Argentina em 18 de junho de 2020 que continuou por 17,102 segundos (Peterson e outros, 2022).

Recordes como esses mudam a maneira de descrever a segurança contra raios. Um relâmpago pode viajar centenas de quilômetros pelas nuvens e enviar descargas ao solo longe de onde a tempestade parece estar.

Raios em outros lugares

As tempestades não são a única fonte. O NSSL lista erupções vulcânicas, incêndios florestais muito intensos que formam suas próprias nuvens de tempestade, tempestades de neve fortes (com trovões), grandes furacões e explosões nucleares na superfície. A erupção do vulcão Hunga em Tonga em 15 de janeiro de 2022 lançou uma pluma de pelo menos 58 km de altura e produziu mais de 2600 relâmpagos por minuto, organizados em anéis que se espalhavam para fora com ondas de gravidade na nuvem em forma de guarda-chuva (Van Eaton e outros, 2023).

Júpiter também tem raios. A espaçonave Juno registrou sua emissão de rádio a 600 MHz, principalmente perto dos polos (Brown e outros, 2018), e depois viu pequenos clarões de tempestades rasas no alto da atmosfera (Becker e outros, 2020). Um planeta com faixas no canto da cena Terra abre um cartão sobre eles; seu tamanho e sua distância ali não estão em escala.

O que as agências recomendam

As duas agências concordam em quase tudo. Não há lugar seguro ao ar livre quando uma tempestade está perto. Edifícios sólidos e veículos metálicos de teto rígido com os vidros fechados são seguros; pequenos galpões, barracas, abrigos de chuva e veículos abertos não são. Dentro de casa, evite telefones com fio, qualquer coisa ligada à tomada e encanamentos, e fique longe de janelas e portas. Espere 30 minutos após o último trovão antes de sair novamente, porque o último relâmpago de uma tempestade pode ocorrer muitos minutos depois do anterior.

Elas diferem numa regra. A KMA ainda ensina a regra 30-30: conte do relâmpago ao trovão e, se forem 30 segundos ou menos, vá imediatamente para um lugar seguro. O NWS agora diz que, se você ouve qualquer trovão, já está em perigo, e seu lema é "Quando o trovão soar, vá para dentro". Trinta segundos são cerca de 10 km, e um raio pode atingir essa distância da tempestade.

Elas também descrevem de forma diferente o que fazer se você for surpreendido ao ar livre. A KMA descreve, como forma de reduzir o risco enquanto você se afasta, agachar-se bem baixo com os pés juntos e manter de 5 a 10 m de outras pessoas, e diz que deitar no solo molhado é muito perigoso. O NWS diz que agachar não torna você mais seguro e que deitar esticado aumenta o perigo da corrente de solo; recomenda continuar seguindo em direção a um abrigo. Ambas concordam que a única boa resposta é entrar num local fechado a tempo.

Sobre os clarões desta exposição

O relâmpago é um clarão brilhante, e clarões brilhantes repetidos rapidamente podem desencadear crises em pessoas com epilepsia fotossensível. Uma revisão para a Epilepsy Foundation of America constatou que clarões a uma frequência de 15 a 25 por segundo são os que mais tendem a desencadear crises, dentro de uma faixa de 1 a 65 por segundo (Fisher e outros, 2005). Esta exposição mantém toda grande mudança luminosa do palco sob uma única restrição: um novo pico só pode começar 0,34 segundos depois do último, portanto nunca há mais de três por segundo, e descargas que vêm antes disso se juntam ao brilho que já existe em vez de produzir um novo clarão. O interruptor Clarões suaves separa os picos por um segundo e os torna mais fracos. Ele se ativa sozinho quando seu dispositivo pede movimento reduzido.

Isso também significa que o palco não apresenta na tela a cintilação real de um relâmpago com múltiplas descargas em velocidade total, em que as descargas se separam por dezenas de milissegundos. A cena em câmera lenta mostra essas descargas uma a uma.

Como o modelo difere da realidade

A cidade, a tempestade e todas as distâncias na primeira cena estão em tamanho real, e os atrasos do som são calculados exatamente a partir da distância e da temperatura. Algumas coisas são simplificadas:

• O canal cresce por passos aleatórios atraídos para o solo. Seu formato é plausível, não uma cópia de qualquer relâmpago medido.
• A nuvem é construída com volumes suaves e iluminada por dentro pelo relâmpago; ela não simula o escoamento do ar.
• Na cena da nuvem, as partículas são milhares de vezes grandes demais e o tempo corre rápido, e a eletrização é uma regra (sinal pela temperatura, quantidade pelas colisões), não um modelo de microfísica.
• O trovão ouvido em meio ao ruído usa um modelo simples de nível; o trovão real depende do canal, do solo, do vento e das camadas de temperatura.
• O mapa da Terra é um modelo, como descrito acima. Os 44 por segundo, a razão entre terra e oceano e os valores dos focos são medidos; o formato do brilho é uma estimativa.
• Raios globulares aparecem de vez em quando após impactos próximos. Há evidência real de que existem, incluindo um espectro registrado (Cen, Yuan e Xue, 2014), mas seu funcionamento ainda é discutido.

A visita guiada e o laboratório

A visita guiada passa por 19 etapas, da contagem do primeiro raio às regras de segurança. Cada uma dessas etapas faz a configuração do palco para você: a cena, a câmera, a distância, o tipo de raio. A aba Controles tem as mesmas configurações para uso livre; a aba Partes lista 31 partes nas sete cenas e leva a câmera até cada uma.

Abaixo do palco, o laboratório guarda o que você faz. Os desafios são salvos no navegador e marcados com uma estrela quando resolvidos. O livro de raios marca cada tipo, lugar e recorde quando você o vê no palco. As descobertas escondidas são coisas no palco que abrem um cartão quando você clica nelas; algumas só aparecem de vez em quando, como os clarões silenciosos além das colinas, um sprite acima da tempestade ou uma bola de luz após um impacto próximo. A tabela Raios recentes lista os últimos dez relâmpagos com suas distâncias, descargas e correntes.