Esta partícula brilhante em uma armadilha de laser pode revelar como o raio começa

Os aerossóis são minúsculas gotículas ou partículas sólidas suspensas no ar e nos rodeiam constantemente. Alguns são grandes o suficiente para serem vistos, como o pólen da primavera, enquanto outros, como os vírus que circulam durante a temporada de gripe, são pequenos demais para o olho humano. Alguns podem até ser sentidos pelo paladar, incluindo as finas partículas de sal transportadas pelos ventos oceânicos.

A estudante de doutorado Andrea Stöllner, membro dos grupos Waitukaitis e Muller do ISTA, estuda o comportamento dos cristais de gelo que se formam nas nuvens. Para entender melhor como esses cristais acumulam carga, ela trabalha com modelos de aerossóis feitos de esferas de sílica muito pequenas e transparentes.

Juntamente com o ex-pós-doutorado da ISTA Isaac Lenton, o professor assistente da ISTA Scott Waitukaitis e colaboradores, Stöllner criou uma técnica que usa dois feixes de laser que se cruzam para capturar, estabilizar e carregar eletricamente uma única partícula de sílica. Esta configuração abre a porta para novas investigações sobre como começa a eletrificação da nuvem e como os relâmpagos são desencadeados.

Construindo uma armadilha laser estável

Andrea Stöllner trabalha em uma grande mesa de laboratório repleta de componentes metálicos polidos. Raios laser verdes cruzam o espaço, saltando de espelho em espelho. Um assobio lento e constante vem da mesa, semelhante ao ar vazando de um pneu. “É uma mesa antivibração”, diz Stöllner, destacando como ela protege os lasers de pequenas perturbações na sala ou de equipamentos próximos, o que é essencial para medições extremamente precisas.

Os feixes viajam através de uma série de partes alinhadas antes de convergirem em dois fluxos estreitos que entram em um recipiente selado. Onde se encontram, criam um ponto concentrado de luz que pode manter pequenas partículas no lugar. Essas “pinças ópticas” mantêm os aerossóis suspensos por tempo suficiente para estudá-los. Quando uma partícula é capturada, um flash verde brilhante aparece, confirmando que a armadilha capturou com sucesso uma partícula de aerossol brilhante e perfeitamente redonda.

“A primeira vez que peguei uma partícula, fiquei nas nuvens”, lembra Stöllner sobre seu momento de descoberta dois anos antes, pouco antes do Natal. “Scott Waitukaitis e meus colegas correram para o laboratório e deram uma breve olhada na partícula de aerossol capturada. Durou exatamente três minutos, depois a partícula desapareceu. Agora podemos mantê-la nessa posição por semanas.”

Alcançar esse nível de controle levou quase quatro anos. O experimento começou com uma versão anterior desenvolvida por Lenton. “Originalmente, a nossa configuração foi construída para conter apenas uma única partícula, analisar a sua carga e descobrir como a humidade altera as suas cargas,” diz Stöllner. “Mas nunca chegamos tão longe. Descobrimos que o próprio laser que usamos carrega nossas partículas de aerossol.”

Como os lasers libertam elétrons

Stöllner e seus colegas descobriram que as partículas ganham carga através de um “processo de dois fótons”.

Partículas de aerossol geralmente quase não carregam carga líquida, com elétrons (entidades carregadas negativamente) orbitando dentro de cada átomo. Os feixes de laser são feitos de fótons (partículas de luz que viajam na velocidade da luz). Quando dois fótons atingem a partícula ao mesmo tempo e são absorvidos juntos, eles podem remover um único elétron. A perda desse elétron dá à partícula uma unidade de carga positiva e, com a exposição contínua, a partícula torna-se progressivamente mais carregada positivamente.

Para Stöllner, identificar este processo abriu novas oportunidades. “Podemos agora observar com precisão a evolução de uma partícula de aerossol à medida que ela passa de neutra para altamente carregada e ajustar a potência do laser para controlar a taxa.”

À medida que a carga aumenta, a partícula também começa a perder carga novamente em rajadas curtas e repentinas. Estas descargas espontâneas sugerem comportamentos que podem ocorrer naturalmente na atmosfera.

Bem acima, as partículas da nuvem podem passar por ciclos semelhantes de acúmulo e liberação de carga.

Procurando pela primeira faísca de Lightning

As nuvens de tempestade contêm uma mistura de cristais de gelo e pedaços maiores de gelo. À medida que colidem, eles trocam cargas elétricas. Com o tempo, a nuvem fica tão desequilibrada eletricamente que se formam raios. Uma ideia é que a primeira faísca de um raio poderia surgir diretamente de cristais de gelo carregados. No entanto, o mecanismo exato por trás da formação dos raios permanece sem solução. Outras teorias propõem que os raios cósmicos iniciam o processo porque as partículas carregadas que produzem aceleram dentro dos campos eléctricos existentes. De acordo com Stöllner, a visão científica atual é que, em ambos os cenários, o campo elétrico dentro das nuvens parece demasiado fraco para iniciar os relâmpagos por si só.

“Nossa nova configuração nos permite explorar a teoria do cristal de gelo examinando de perto a dinâmica de carga de uma partícula ao longo do tempo”, explica Stöllner. Embora os cristais de gelo naturais nas nuvens sejam muito maiores do que as partículas de sílica usadas em laboratório, a equipe espera que a compreensão desses efeitos em pequena escala revele os processos maiores que criam os relâmpagos. “Nossos modelos de cristais de gelo estão mostrando descargas e talvez haja mais do que isso. Imagine se eles eventualmente criassem faíscas de relâmpagos superminúsculas – isso seria muito legal”, acrescenta ela com um sorriso.