Cientistas reproduzem em laboratório um fenómeno semelhante ao relâmpago globular

Quando imaginamos um relâmpago, a imagem costuma ser simples: um rasgão irregular de luz que atravessa o céu e desaparece num instante mais curto do que um piscar de olhos.

No entanto, ao longo dos séculos, foram surgindo descrições de uma forma mais estranha e inquietante.

Milhares de registos e relatos de testemunhas referem esferas luminosas que pairam acima do solo antes de desaparecerem com um estalido, como bolhas de sabão.

Este fenómeno fugaz é praticamente impossível de estudar. Além disso, as descrições do seu tamanho, da sua cor e até do seu comportamento variam enormemente, fazendo dele um dos enigmas mais peculiares da ciência atmosférica.

O físico Chuliang Zhou e os seus colegas da Academia Chinesa de Ciências pensaram, contudo, que, se não é possível capturar um relâmpago globular no exterior, talvez seja possível aprender mais ao reproduzir algo semelhante em laboratório.

«Apresentamos aqui a primeira geração controlada de um solitão macroscópico e duradouro, impulsionado por campos eletromagnéticos relativísticos de terahertz», escrevem os investigadores num artigo publicado na Nature Photonics.

«Este trabalho estabelece uma plataforma acessível em laboratório para investigar a física dos solitões óticos, mecanismos avançados de armazenamento de energia e o antigo enigma científico do relâmpago globular.»

O relâmpago globular e os solitões

Um solitão é, essencialmente, uma onda única e autónoma que conserva a sua forma e integridade estrutural graças a um equilíbrio delicado entre forças físicas.

Estas ondas podem formar-se no plasma, na água, na luz e, potencialmente, até em algumas membranas biológicas: praticamente em qualquer meio onde efeitos físicos opostos possam equilibrar-se e sustentar uma onda estável.

Segundo algumas teorias, o relâmpago globular é uma espécie de solitão eletromagnético que retém energia numa camada de plasma.

Uma esfera de plasma criada em laboratório

Para descobrir se conseguiam produzir este tipo de solitão, os investigadores recorreram a uma peça de tungsténio com uma ponta extremamente afiada.

O processo foi um pouco mais complexo, mas a agulha de tungsténio teve um papel fundamental: a sua ponta media apenas 100 nanómetros de diâmetro. Para comparação, um cabelo humano mede entre 80 000 e 100 000 nanómetros de diâmetro.

A equipa dirigiu um pulso laser ultracurto para a agulha, criando uma onda eletromagnética intensa que percorreu o seu comprimento.

Ao chegar à ponta, a energia da onda concentrou-se num campo elétrico extraordinariamente intenso. Este arrancou eletrões aos átomos de uma nuvem de gás árgon colocada junto à agulha, criando uma bolha sobreaquecida de árgon ionizado: plasma.

A bolha surgiu brevemente sob a forma de uma pequena esfera de luz.

A frágil esfera luminosa começou por ser um ponto minúsculo, com cerca de 80 micrómetros de diâmetro. Nos 100 nanossegundos seguintes, expandiu-se até atingir várias centenas de micrómetros, continuando a ser um ponto minúsculo.

Pode não parecer muito tempo, mas é bastante mais do que a duração do pulso eletromagnético que lhe deu origem. Além disso, em vez de se dissipar como uma nuvem comum de plasma quente, a esfera manteve a sua estrutura enquanto se expandia.

Os investigadores acompanharam essa expansão e analisaram os comprimentos de onda da luz emitida pela esfera durante o arrefecimento, comparando as observações com modelos teóricos e simulações informáticas.

Constataram que a expansão correspondia às previsões teóricas para um solitão eletromagnético.

Isto sugere que a energia eletromagnética permaneceu retida no plasma, ajudando a sustentar a esfera luminosa mesmo durante a sua expansão.

Em contrapartida, as simulações da expansão térmica num plasma comum mostraram um processo muito mais rápido e difuso.

O relâmpago globular a uma escala maior

Um pequeno ponto de luz produzido numa experiência laboratorial cuidadosamente controlada está, porém, muito longe das condições atmosféricas imprevisíveis em que normalmente são observados relâmpagos globulares.

Por isso, a equipa recorreu aos seus modelos teóricos para avaliar como o fenómeno poderia comportar-se a uma escala maior, sob a ação de radiação eletromagnética de frequência mais baixa.

Os cálculos indicaram que solitões eletromagnéticos impulsionados por micro-ondas, em vez de radiação de terahertz, poderiam teoricamente atingir vários metros de diâmetro e durar segundos.

Essas características estão muito mais próximas de alguns relatos de testemunhas sobre o comportamento das misteriosas esferas luminosas.

Embora esteja longe de constituir uma explicação definitiva para o relâmpago globular, a resolução de mistérios meteorológicos não é a única aplicação potencial destas pequenas bolas de fogo.

A capacidade de reter energia eletromagnética numa estrutura estável e localizada poderá também abrir novas vias para tecnologias de armazenamento de energia e para o estudo da interação entre a luz e a matéria em condições extremas.

«A nossa abordagem laboratorial controlada à caracterização espaciotemporal em condições ajustáveis oferece uma via sistemática para decifrar o enigma secular da formação do relâmpago globular», escrevem os investigadores.

«Ao unir a fotónica de campos extremos, a ciência do plasma e a geofísica atmosférica, as nossas descobertas redefinem as plataformas impulsionadas por radiação de terahertz como motores de descoberta, tanto para tecnologias aplicadas como para fenómenos naturais ainda por explicar.»

O estudo foi publicado na Nature Photonics.

Este artigo foi verificado e editado por Rebecca Dyer. Embora tenhamos orgulho no nosso processo, somos apenas humanos. Se encontrar algum erro, agradecemos que nos informe.