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A bola de raio que brilhava com o chão de Qinghai

Em 2012, espectrógrafos no planalto de Qinghai registraram por acaso uma bola de raio, e a luz dela trazia silício, ferro e cálcio do solo.

Esfera de luz rente ao solo do planalto de Qinghai

Em julho de 2012, a equipe do físico Jianyong Cen, da Universidade Normal do Noroeste, em Lanzhou, na China, gravou por acaso o espectro (a luz decomposta em cores, como num arco-íris) de uma bola de raio. As linhas de silício, ferro e cálcio apareceram nítidas na imagem.

A equipe estava no planalto de Qinghai para estudar raios comuns. Tinha montado dois espectrógrafos sem fenda (aparelhos que espalham a luz de um clarão inteiro em faixas de cor) e câmeras de alta velocidade, apontados para as tempestades de verão da região.

Numa noite daquele mês, um raio desceu das nuvens e atingiu o chão a cerca de 900 metros dos instrumentos. No ponto do impacto, surgiu uma esfera luminosa. Ela deslizou uns 15 metros na horizontal, rente ao solo, e sumiu depois de 1,64 segundo.

A equipe estimou o diâmetro da esfera em cerca de 5 metros. A cor passou do branco ao alaranjado enquanto ela se movia, e o brilho foi caindo aos poucos, sem explosão no fim.

Relatos de bolas de raio existem há séculos. Pilotos, marinheiros e camponeses descreveram esferas que atravessam janelas, rolam por corredores e somem sem deixar marca. Quase nenhum desses relatos veio com instrumento ligado na hora certa.

A gravação de Qinghai mudou a situação. Pela primeira vez, a luz de uma bola de raio natural passou por um espectrógrafo, e cada elemento químico deixa ali uma assinatura própria, em comprimentos de onda fixos.

O espectro trazia nitrogênio e oxigênio, esperados em qualquer faísca no ar. Trazia também silício, ferro e cálcio, três elementos comuns na terra do planalto e ausentes no ar limpo.

A pergunta que a equipe tinha nas mãos era direta: como a química do chão foi parar dentro de uma bola de luz que flutuava? A resposta começa num modelo proposto doze anos antes, na Nova Zelândia, para explicar de que matéria a esfera seria feita.

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I  O Mecanismo

Silício que queima devagar

Em 2000, o engenheiro químico John Abrahamson, da Universidade de Canterbury, na Nova Zelândia, publicou na revista Nature, com o colega James Dinniss, uma hipótese sobre a matéria das bolas de raio. A esfera seria feita de solo vaporizado.

O raciocínio parte do que acontece no ponto do impacto. Um raio aquece o solo a milhares de graus em milésimos de segundo. A areia e a argila são ricas em sílica (dióxido de silício, o mesmo composto do vidro e do quartzo).

O solo também guarda carbono, vindo de raízes e matéria orgânica. No calor do raio, o carbono arranca o oxigênio da sílica, uma reação de redução (a retirada de oxigênio de um composto). Sobra silício puro, em forma de vapor.

Esse vapor sobe junto com a onda de choque do impacto. Ao esfriar, ele se condensa em nanopartículas (grãos com milionésimos de milímetro), que se prendem umas às outras em fios e formam uma espécie de novelo solto no ar.

O brilho viria da oxidação (a reação com o oxigênio do ar, a mesma de uma chama). O silício volta a se combinar com o oxigênio e libera calor e luz. Como as partículas estão presas numa rede, o oxigênio chega aos poucos, e a queima se arrasta.

A lentidão explica a duração. Uma faísca comum some em milésimos de segundo. Uma esfera de silício em combustão lenta pode brilhar por segundos, o intervalo que as testemunhas descrevem há séculos.

O ferro e o cálcio entram no pacote pela mesma porta. Os dois existem em minerais do solo e também viram vapor no impacto. Ao queimar junto com o silício, emitem suas próprias linhas de luz.

O espectro de Qinghai casou com a previsão. As linhas de silício, ferro e cálcio apareceram durante toda a vida da esfera, e a intensidade delas caiu no ritmo do brilho geral, como se a própria matéria do solo estivesse se esgotando.

A gravação trouxe um detalhe que nenhum modelo tinha previsto. O brilho da esfera oscilava 100 vezes por segundo. A equipe de Cen notou que linhas de transmissão de alta tensão passavam perto do local.

A rede elétrica chinesa opera em 50 hertz (ciclos por segundo), e a corrente alternada gera um campo que atinge o pico duas vezes a cada ciclo, somando 100 picos por segundo. A esfera pulsava no compasso da rede, um sinal de que campos elétricos externos mexiam com ela.

A cor também tem explicação química. O silício em combustão tende ao branco nas temperaturas mais altas e ao alaranjado à medida que esfria. A mudança de tom registrada pelas câmeras acompanha a queda de temperatura de uma esfera que perdia combustível.

II  Por que Importa

Uma lenda com instrumento ligado

Por séculos, a bola de raio morou no território das histórias. Em 21 de outubro de 1638, durante uma tempestade em Widecombe-in-the-Moor, na Inglaterra, fiéis reunidos na igreja da vila relataram uma bola de fogo que entrou pelo templo e deixou feridos e paredes chamuscadas.

Relatos assim se acumularam em diários de bordo, cartas e jornais. Muitos cientistas trataram o tema como ilusão de ótica, imagem residual na retina depois de um clarão forte. Sem medição, sobrava a palavra de quem viu.

As hipóteses se multiplicaram. Em 1955, o físico soviético Pyotr Kapitsa, que ganharia o Nobel de Física em 1978, propôs que a esfera seria alimentada por micro-ondas vindas das nuvens. Outros autores sugeriram plasma (gás tão quente que os elétrons se soltam dos átomos) preso por campos magnéticos.

Os laboratórios tentaram fabricar o fenômeno. Em 2007, os físicos Antonio Pavão e Gerson Paiva, da Universidade Federal de Pernambuco, no Recife, aplicaram descargas elétricas em lâminas de silício, as mesmas usadas em chips.

Das lâminas saíram esferas luminosas do tamanho de bolas de pingue-pongue. Elas flutuavam, quicavam no chão e duravam até 8 segundos, segundo o relato publicado por Paiva, Pavão e colegas na Physical Review Letters em 2007. A cor e o comportamento lembravam as descrições de testemunhas.

O experimento do Recife mostrou que silício vaporizado produz bolas brilhantes duradouras. Faltava a outra ponta: provar que as bolas de raio da natureza também carregam silício. O espectro de Qinghai entregou essa ponta.

A gravação transformou uma lenda em dado com erro calculável. Distância, tamanho, trajetória, duração e composição saíram de instrumentos, e qualquer grupo com acesso ao artigo pode refazer as contas a partir das imagens publicadas.

O resultado também enfraqueceu hipóteses rivais. Um modelo de micro-ondas puras não explica por que o solo apareceria na luz. A presença de silício, ferro e cálcio aponta para matéria arrancada do chão pelo impacto.

A física atmosférica ganhou um alvo concreto. Quem estuda raios passou a saber o que procurar: espectrógrafos rápidos, câmeras sincronizadas e paciência para esperar o acaso numa região de muitas tempestades.

Há também uma questão de segurança. Bolas de raio já foram relatadas dentro de aviões e de casas. Entender a matéria delas ajuda a estimar quanta energia carregam e que estrago podem causar, dado que hoje depende de relatos soltos.

III  A Fonte

Physical Review Letters, janeiro de 2014

O artigo saiu na Physical Review Letters em 17 de janeiro de 2014, volume 112, com o título Observation of the Optical and Spectral Characteristics of Ball Lightning (observação das características ópticas e espectrais da bola de raio). Assinam Jianyong Cen, Ping Yuan e Simin Xue.

Os três trabalham na Universidade Normal do Noroeste, em Lanzhou, capital da província de Gansu. O grupo de Ping Yuan estuda há anos o espectro de raios comuns, e o planalto de Qinghai, com tempestades frequentes no verão, servia de laboratório ao ar livre.

O intervalo entre a gravação, em 2012, e a publicação, em 2014, se explica pelo trabalho de análise. A equipe precisou separar a luz da esfera da luz do raio que a originou, calibrar as linhas espectrais e reconstruir a trajetória a partir das imagens.

As câmeras de alta velocidade registraram a sequência inteira em quadros separados. O registro permitiu medir o deslocamento de 15 metros e a duração de 1,64 segundo quadro a quadro, sem depender da memória de ninguém.

O artigo tem limites que os próprios autores reconhecem. Trata-se de um único evento, filmado a cerca de 900 metros. O diâmetro de 5 metros é uma estimativa feita pela imagem, sujeita a erro por causa da distância e do brilho que se espalha no ar.

A equipe não mediu a temperatura da esfera diretamente, nem coletou amostra do solo no ponto do impacto para comparar a composição. O vínculo com a terra do planalto vem das linhas espectrais, não de análise química do chão atingido.

Também continua sem resposta por que só alguns raios geram bolas. A maioria das descargas que atingem solo rico em silício não produz esfera nenhuma, e ninguém sabe quais condições de umidade, tipo de terreno ou corrente fazem a diferença.

A hipótese do silício pode não explicar todos os relatos. Esferas vistas dentro de aviões, longe de qualquer solo, continuam sem modelo aceito, e alguns físicos defendem que existam mais de um tipo de bola de raio.

Até hoje, a gravação de Qinghai segue como o único espectro publicado de uma bola de raio natural. Outros grupos mantêm câmeras e espectrógrafos voltados para tempestades, à espera do próximo acaso.

"Quantos fenômenos seguem classificados como lenda só porque nenhum instrumento estava ligado na noite certa?"

1,64 segundo. Foi quanto a bola de raio de Qinghai brilhou diante dos espectrógrafos (Cen, Yuan e Xue, Physical Review Letters, 2014).

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CIÊNCIA BIZARRA

Parece mentira. Mas é real e está provado