Este partícula brilhante em uma armadilha a laser pode desvendar como os relâmpagos se iniciam

Aerosóis são pequenas gotas ou partículas sólidas suspensas no ar, e estão constantemente ao nosso redor. 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 muito pequenos para o olho humano. Alguns podem até ser sentidos pelo gosto, incluindo as finas partículas de sal trazidas pelos ventos do oceano.

A estudante de doutorado Andrea Stöllner, membro dos grupos Waitukaitis e Muller no ISTA, estuda o comportamento dos cristais de gelo que se formam dentro das nuvens. Para entender melhor como esses cristais acumulam carga, ela trabalha com aerosóis modelo feitos de pequenas esferas de sílica transparente.

Juntamente com o ex-pesquisador pós-doutorando do ISTA, Isaac Lenton, o professor assistente 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. Esse arranjo abre portas para novas investigações sobre como a eletrificação de nuvens começa e como os relâmpagos são acionados.

Construindo um Armadilha de Laser Estável

Andrea Stöllner trabalha em uma grande mesa de laboratório cheia de componentes metálicos polidos. Feixes de laser verde cruzam o espaço, refletindo de espelho em espelho. Um som contínuo e constante de chiado vem da mesa, semelhante ao ar escapando de um pneu. “É uma mesa anti-vibração”, diz Stöllner, apontando como isso 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 convergir em dois fluxos estreitos que entram em um recipiente selado. Onde se encontram, criam um ponto de luz concentrada que pode manter pequenas partículas no lugar. Essas “pinças ópticas” mantêm os aerosóis flutuantes suspensos tempo suficiente para estudá-los. Quando uma partícula é capturada, um brilho verde brilhante aparece, confirmando que a armadilha conseguiu prender uma partícula de aerosol perfeitamente redonda e luminosa.

“Na primeira vez que capturei uma partícula, fiquei nas nuvens,” lembra Stöllner sobre seu momento de descoberta, dois anos atrás, pouco antes do Natal. “Scott Waitukaitis e meus colegas correram para o laboratório e deram uma rápida olhada na partícula de aerosol capturada. Durou exatamente três minutos, então 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, nosso arranjo foi desenvolvido para apenas segurar uma única partícula, analisar sua carga e descobrir como a umidade muda suas cargas,” diz Stöllner. “Mas nunca chegamos tão longe. Descobrimos que o laser que estamos usando está carregando nossas partículas de aerosol.”

Como os Lasers Soltam Elétrons

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

Partículas de aerosol normalmente têm quase nenhuma carga líquida, com elétrons (entidades carregadas negativamente) orbitando dentro de cada átomo. Feixes de laser são feitos de fótons (partículas de luz que viajam à velocidade da luz). Quando dois fótons atingem a partícula ao mesmo tempo e são absorvidos juntos, eles podem remover um único elétron. Perder esse elétron dá à partícula uma unidade de carga positiva, e com a exposição contínua, a partícula se torna progressivamente mais carregada positivamente.

Para Stöllner, identificar esse processo abriu novas oportunidades. “Agora podemos observar precisamente a evolução de uma partícula de aerosol enquanto ela se carrega de neutra para altamente carregada e ajustar a potência do laser para controlar a taxa.”

À medida que a carga se acumula, a partícula também começa a perder carga novamente em explosões rápidas e repentinas. Essas descargas espontâneas sugerem comportamentos que podem ocorrer naturalmente na atmosfera.

No alto, partículas de nuvem podem passar por ciclos semelhantes de acumulação e liberação de carga.

Procurando pela Primeira Faísca do Relâmpago

Nuvens de tempestade contêm uma mistura de cristais de gelo e pedaços maiores de gelo. À medida que esses se chocam, trocam cargas elétricas. Com o tempo, a nuvem se torna tão desequilibrada eletricamente que o relâmpago se forma. Uma ideia é que a primeira faísca de um relâmpago poderia surgir diretamente de cristais de gelo carregados. No entanto, o mecanismo exato por trás da formação do relâmpago permanece não resolvido. Outras teorias propõem que raios cósmicos iniciam o processo porque as partículas carregadas que eles produzem se aceleram dentro de campos elétricos existentes. Segundo Stöllner, a visão científica atual é que, em ambos os cenários, o campo elétrico dentro das nuvens parece ser fraco demais para iniciar o relâmpago por conta própria.

“Nosso novo arranjo 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 no laboratório, a equipe espera que entender esses efeitos em pequena escala revele os processos maiores que criam relâmpagos. “Nossos cristais de gelo modelo estão mostrando descargas e talvez haja mais nisso. Imagine se eles eventualmente criassem super pequenas faíscas de relâmpago — isso seria tão legal,” acrescenta ela com um sorriso.