Mecanismo de iniciação de sprites

• Ano de defesa: 2011
• Autor(a) principal: Caitano Luiz da Silva
• Orientador(a): Fernanda São Sabbas Tavares
• Banca de defesa: Jonas Rodrigues de Souza, Erico Luiz Rempel, Davis Daniel Sentman
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Geofísica Espacial/Ciências Atmosféricas
• País: BR
• Resumo em Inglês: In this work the electrodynamic coupling between the troposphere and middle atmosphere is studied; more specifically, the mechanism of penetration of lightning electric fields into the mesosphere and the lower part of the ionosphere generating sprites. We use a simplified streamer-fluid model, composed of continuity equations for electrons and ions coupled to Poisson's equation. In this description, the atmosphere responds to intense lightning electric fields creating a screening-ionization wave, which is formed at $\sim$80 km and propagates downward owing to the ambient electrical conductivity and the spatio-temporal structure of lightning electric fields. This wave creates the conditions leading to inception od a sprite in the mesosphere at $\sim$70 km altitude. We evaluate the effects of the thundercloud charge geometry, the lightning current waveshape, the electron density pro file above the thunderstorm and the description of the processes of production and loss of electrons in the mesospheric electrical breakdown and initiation of a streamer that may develop into a sprite. We verify that: (1) the increase in the electron mobility slows down the breakdown process and speeds up the streamer inception, (2) an increase in atmospheric conductivity hinders the appearance of sprites, (3) the sprite altitude is related to the atmospheric conductivity, (4) the lightning characteristics play a significant role in determining sprite altitude, (5) there is an asymmetry in the response of the atmosphere to positive and negative lightning, (6) replacing the point charge by a gaussian distribution in the underlying thundercloud reduces the strength of the lightning electrostatic field, and (7) sprites initiating at lower altitudes are produced by more impulsive cloud-to-ground lightning discharges, require the removal of more charge, and have a shorter delay than sprites produced in higher altitudes.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2011/02.07.13.17

No presente trabalho estuda-se o acoplamento eletrodinâmico entre a troposfera e a média atmosfera. Mais especificamente, o mecanismo de penetração na mesosfera e na porção inferior da ionosfera do campo elétrico gerado por relâmpagos, que dá origem aos sprites. Utiliza-se um modelo de fluido simplificado, composto por equações da continuidade para elétrons e íons, acopladas à equação de Poisson. Através dessa descrição, a atmosfera responde à intensos campos elétricos criando uma onda de blindagem e ionização, que forma-se em $\sim$80 km de altitude e propaga-se para baixo devido a condutividade elétrica e a estrutura espaço-temporal do campo elétrico do relâmpago. Essa onda leva à construção do cenário que possibilita a iniciação de sprites na mesosfera, em $\sim$70 km de altitude. Foram avaliados os efeitos da geometria da carga elétrica removida da nuvem, da forma de onda da corrente elétrica do relâmpago, do perfil de densidade eletrônica sobre a tempestade e da descrição dos processos de produção e perda de elétrons na quebra da rigidez dielétrica na mesosfera e na iniciação de um streamer que pode se desenvolver em um sprite. Foi observado que: (1) uma mobilidade eletrônica maior retarda o início da quebra da rigidez dielétrica e facilita a iniciação do streamer, (2) uma atmosfera mais condutora dificulta ou inibe a iniciação de streamers, (3) a condutividade atmosférica está diretamente ligada com a altitude dos sprites, (4) as características do relâmpago são predominantes sobre as da atmosfera na determinação da altitude dos sprites, (5) existe uma assimetria na resposta atmosférica à relâmpagos positivos e negativos, (6) a substituição da carga pontual por uma distribuição gaussiana reduz o campo elétrico do relâmpago e (7) sprites que se iniciam em menores altitudes são produzidos por relâmpagos mais impulsivos e requerem uma maior remoção de carga, sendo que os mesmos são produzidos mais rapidamente do que sprites que se iniciam em maiores altitudes.