Uma tempestade sem nuvem
Na noite de 15 de janeiro de 2022, uma fileira de antenas de rádio espalhadas pelo Pacífico Sul começou a registrar algo que não deveria ser possível. Um vulcão submarino do Reino de Tonga, o Hunga Tonga–Hunga Ha’apai, havia lançado uma coluna de cinzas, gás e água do mar vaporizada para fora do oceano e para dentro da mesosfera. Dentro dessa coluna, os raios disparavam a uma taxa de 2.615 relâmpagos por minuto. Nenhuma tempestade já registrada pelas redes globais de detecção de raios havia chegado perto disso.
Este é o raio vulcânico, um fenômeno antigo o bastante para que um adolescente romano o presenciasse enquanto o tio morria navegando em direção a ele, e estranho o bastante para que os pesquisadores ainda discutam exatamente como ele funciona.
O que são raios vulcânicos?
Raios vulcânicos são descargas elétricas produzidas dentro ou ao redor da pluma de um vulcão em erupção, e não dentro de uma nuvem de chuva comum. Como a carga se acumula em uma nuvem de cinzas, e não em uma nuvem de gotículas de água, o fenômeno ganhou o apelido de “tempestade suja”.
A física básica é a mesma dos raios comuns. Partículas em uma nuvem turbulenta adquirem cargas elétricas opostas, essas cargas se separam em regiões distintas e, quando a diferença de tensão cresce o bastante, o ar se rompe e uma faísca salta. O que muda é a carga transportada. Uma nuvem de tempestade está cheia de água e gelo. Uma pluma vulcânica está cheia de rocha pulverizada, e isso muda quais processos de eletrização importam.
A história: de Plínio, o Jovem, ao Observatório do Vesúvio
O registro escrito mais antigo que chegou até nós vem de Plínio, o Jovem, que assistiu à erupção do Vesúvio em 79 d.C. do outro lado da baía, em Miseno, e depois escreveu sobre “uma escuridão intensíssima, tornada ainda mais aterradora pelo brilho intermitente das tochas, de quando em quando ofuscado pelo clarão passageiro dos relâmpagos”. Seu tio, Plínio, o Velho, navegou em direção à erupção e morreu.
Durante séculos, os raios vulcânicos permaneceram na categoria das curiosidades relatadas por testemunhas. A primeira tentativa de estudá-los de forma sistemática veio de Luigi Palmieri, que dirigia o Observatório do Vesúvio e registrou atividade elétrica durante as erupções de 1858, 1861, 1868 e 1872. O Vesúvio o atendeu repetidas vezes. Hoje o fenômeno já foi observado em centenas de erupções ao redor do mundo.
O que causa os raios vulcânicos? Os três mecanismos de eletrização
Há várias maneiras de transferir carga às partículas de uma pluma vulcânica, e nem todas atuam no mesmo lugar.
Fractoemissão (eletrização por fragmentação)
Quando o magma é dilacerado no conduto e se estilhaça em cinzas, a fratura da rocha e do vidro ejeta elétrons e íons. Esse processo, chamado de fractoemissão, eletriza as partículas na própria origem, antes mesmo de a cinza deixar a boca eruptiva. Em plumas ricas em partículas sólidas de silicato, a fractoemissão provavelmente é a principal fonte da carga inicial.
Eletrização triboelétrica (por colisão)
Quando a cinza está no ar, as partículas se esfregam e colidem entre si no jato turbulento, trocando carga como um balão esfregado no cabelo. Esse processo de atrito ou colisão é chamado de eletrização triboelétrica. Corrado Cimarelli, vulcanólogo experimental da Universidade Ludwig Maximilian de Munique, descreveu a pluma vulcânica como um ambiente perfeito para o atrito: um jato denso e turbulento em que as partículas colidem o tempo todo. Em um artigo de 2014 na Geology, Cimarelli e colegas geraram raios vulcânicos em laboratório, disparando misturas de gás e partículas por um bocal, e constataram que as descargas eram controladas pela dinâmica do jato carregado de partículas e pela abundância de cinzas finas.
Eletrização por gelo, a da “tempestade suja”
Mais acima, um terceiro mecanismo assume o comando. Se uma pluma sobe acima do nível atmosférico de congelamento, o vapor de água se condensa e congela, produzindo cristais de gelo, água super-resfriada e granizo macio. As colisões entre essas partículas geram carga do mesmo modo que em uma tempestade comum. Esse é o mecanismo de eletrização por gelo, e ele passa a ser importante quando a pluma alcança altitudes com temperaturas abaixo de zero.
Qual mecanismo domina, e onde
Qual mecanismo domina depende sobretudo da altitude. Perto da boca eruptiva e em plumas baixas, predomina a eletrização por silicatos, por meio de fragmentação e colisão. Mais acima, quando a pluma ultrapassa o nível de congelamento, a eletrização por gelo assume o controle. Um estudo do USGS de 2020 sobre a erupção do Bogoslof disse isso sem rodeios: “as plumas não produziram raios detectáveis até se elevarem acima do nível atmosférico de congelamento”, aproximado pelo nível de −20 °C, onde o gelo se formou na parte superior da pluma. McNutt e Williams constataram que as alturas observadas das plumas se agrupam em duas faixas. Como relataram em 2010, “as alturas das plumas de cinzas (142 observações) mostram uma distribuição bimodal, com picos principais em 7–12 km e 1–4 km”, o que é compatível com dois regimes distintos atuando em altitudes diferentes.
Os três regimes dos raios
As redes de mapeamento de raios, que localizam as descargas em três dimensões por meio de sinais de rádio, mostraram que a atividade elétrica passa por fases distintas ao longo de uma erupção.
Descargas na boca eruptiva
No instante inicial de uma explosão, a região de impulso de gás logo acima da boca eruptiva se enche de minúsculas faíscas. Essas descargas na boca eruptiva são pequenas, da ordem de metros a dezenas de metros, e disparam em rajadas rápidas, produzindo um sinal contínuo de radiofrequência característico. No Augustine, em 2006, os pesquisadores as interpretaram como pequenas faíscas de 10 a 100 metros de comprimento, disparadas a taxas de milhares a dezenas de milhares por segundo. Medições posteriores no Sakurajima mostraram que os impulsos individuais são ainda menores: descargas do tipo streamer, de apenas alguns metros de comprimento, e não raios em miniatura. A presença delas revela que a cinza está sendo eletrizada no momento em que sai da boca eruptiva, ou antes dele.
Raios próximos à boca eruptiva
Segundos depois, relâmpagos maiores se desenvolvem na parte inferior da coluna eruptiva, subindo a partir do cone. Esses relâmpagos próximos à boca eruptiva têm de cerca de 1 a 7 km de comprimento e duram uma fração de segundo, e alguns chegam ao solo. Estão ligados aos processos de fragmentação e colisão que ocorrem na parte inferior e densa da pluma. O estudo de 2016 de Cimarelli e colegas no Sakurajima, no Japão, usou vídeo de alta velocidade sincronizado, medições magnetotelúricas e infrassom para captar exatamente essas descargas próximas à boca eruptiva e relacionou a ocorrência delas à dinâmica e à altura da pluma.
Raios da pluma
Minutos após a explosão, os raios se desenvolvem na porção convectiva e à deriva da pluma e na nuvem em forma de guarda-chuva que se espalha. Os raios da pluma são os que mais se parecem com os das tempestades comuns, podem se estender por muitos quilômetros e são aqueles em que a água e o gelo desempenham seu maior papel. Os maiores relâmpagos tendem a surgir tardiamente, quando a estrutura de cargas da pluma se organiza em amplas camadas horizontais.
Esférulas de vidro vulcânico: a evidência fóssil na queda de cinzas
Os raios vulcânicos deixam uma impressão digital física. Em 2015, Kimberly Genareau e colegas descreveram as esférulas vulcânicas induzidas por raios, ou LIVS, em um artigo na Geology. Quando uma descarga rasga uma pluma, o calor do canal funde as partículas de cinza próximas, e a tensão superficial puxa o material fundido para formar minúsculas esferas de vidro antes que esfriem. Essas esférulas medem em média cerca de 50 micrômetros de diâmetro e têm menos de 100 micrômetros, independentemente da composição da cinza.
A equipe as encontrou em cinzas depositadas por duas erupções em que os raios haviam sido bem documentados: a erupção de 2009 do monte Redoubt, no Alasca, e a de 2010 do Eyjafjallajökull, na Islândia. A descoberta é importante porque permite aos pesquisadores inferir que houve raios em erupções antigas que ninguém presenciou, bastando peneirar os depósitos em busca de esferas de vidro.
Onde e quando ocorrem os raios vulcânicos
Os raios vulcânicos não são garantidos. Eles favorecem erupções grandes, explosivas e ricas em cinzas. Em seu banco de dados global, Stephen McNutt e Earle Williams documentaram raios em 80 vulcões, ao longo de 212 erupções, e uma revisão atualizada elevou a contagem para raios “em 87 vulcões associados a 236 erupções”. O Índice de Explosividade Vulcânica pôde ser determinado para 177 das erupções, e o padrão era claro. Nas palavras dos autores, “oito por cento das erupções com VEI = 3–5 tiveram raios relatados, assim como 10% das de VEI = 6, mas menos de 2% das de VEI = 1–2”, uma forte evidência de que as maiores e mais explosivas erupções são as que crepitam.
Um estudo mais recente deu mais nitidez ao quadro com dados globais contínuos. Publicado em 2025 na Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, ele combinou detecções da World Wide Lightning Location Network com os registros de erupções do Smithsonian Global Volcanism Program de abril de 2009 a fevereiro de 2022. Das 490 erupções em 170 vulcões nesse intervalo, “308 erupções de 131 vulcões foram associadas a raios vulcânicos”, cerca de três em cada cinco erupções no registro moderno e bem monitorado.
O recorde de raios do Hunga Tonga
A erupção do Hunga Tonga–Hunga Ha’apai em 15 de janeiro de 2022 é o evento de raios vulcânicos mais extremo já medido, e o estudo que o documentou é o de Van Eaton e colegas, publicado em 2023 na Geophysical Research Letters. A boca eruptiva submarina ficava abaixo da superfície do oceano: funda o bastante para que o magma em erupção fizesse ferver, num instante, enormes volumes de água do mar, e rasa o bastante para que o oceano não abafasse a explosão. A pluma subiu pelo menos 58 km, até a mesosfera.
Combinando quatro fontes de dados de raios nunca antes usadas em conjunto, a equipe contou pouco mais de 192.000 relâmpagos, quase 500.000 pulsos elétricos individuais ao longo de uma erupção que durou pelo menos 11 horas, com pico de 2.615 relâmpagos por minuto, a tempestade elétrica mais intensa já detectada pelas redes globais. A autora principal, a vulcanóloga do USGS Alexa Van Eaton, chamou-a de “uma tempestade supercarregada, como nunca vimos igual”. Para comparação, a segunda tempestade elétrica mais intensa já registrada, uma tempestade de 1999 sobre o sul dos Estados Unidos, teve pico de 993 relâmpagos por minuto.
Duas características chamaram a atenção. Primeiro, alguns relâmpagos alcançaram altitudes de 20 a 30 km acima do nível do mar, os raios de maior altitude já medidos. Segundo, os relâmpagos se organizaram em enormes anéis concêntricos centrados na boca eruptiva. Esses anéis de raios se expandiram para fora, e o maior deles chegou a um raio de cerca de 140 km, uma estrutura de uns 280 km (cerca de 175 milhas) de diâmetro, o que Van Eaton descreveu como uma “rosquinha de descargas elétricas com 280 quilômetros de diâmetro”. A equipe mostrou que os anéis cavalgavam ondas de gravidade internas que viajavam a mais de 80 metros por segundo pela nuvem em forma de guarda-chuva, geradas pela oscilação de flutuabilidade do topo penetrante da pluma.
O cenário submarino é a chave. Ao vaporizar a água do mar, a erupção injetou uma quantidade extraordinária de água na estratosfera, alimentando a eletrização por gelo que move as tempestades comuns e levando-a a uma escala sem precedentes.
Como os cientistas usam os raios vulcânicos para monitorar erupções
Detectar rapidamente uma erupção explosiva é uma questão de segurança, porque as nuvens de cinzas são letais para os motores a jato e o mundo tem muito mais vulcões perigosos do que sismômetros. A detecção de raios oferece um modo de identificar e acompanhar erupções quase em tempo real, a milhares de quilômetros de distância, de dia ou de noite.
Dois sistemas fazem a maior parte do trabalho. A World Wide Lightning Location Network, uma rede terrestre de receptores de rádio operada por uma colaboração de universidades, detecta os relâmpagos mais fortes em qualquer lugar da Terra. No espaço, o Geostationary Lightning Mapper, a bordo dos satélites da série GOES-R, mapeia continuamente a atividade total de raios em todo o Hemisfério Ocidental, com resolução espacial quase uniforme de cerca de 10 km.
A abordagem provou seu valor durante a erupção de 2016–2017 do Bogoslof, nas ilhas Aleutas. Segundo Van Eaton e colegas, “apenas 32 dos 70 eventos explosivos produziram raios detectáveis”, e mais de 4.550 descargas de raios foram registradas ao longo de nove meses pela WWLLN e pela GLD360 da Vaisala. Essas detecções foram entregues ao USGS quase em tempo real, no primeiro uso operacional de raios vulcânicos no monitoramento de erupções nos Estados Unidos. O trabalho de Van Eaton sobre o Hunga Tonga defendeu a mesma tese em escala maior: os dados de raios permitiram aos cientistas reconstituir fases da erupção que a opaca nuvem de cinzas havia ocultado da visão dos satélites.
No que os cientistas ainda não concordam
O quadro geral está definido, mas detalhes importantes não. O equilíbrio entre a eletrização por silicatos e a eletrização por gelo continua em debate e parece variar de uma erupção para outra. Durante a erupção de 2010 do Eyjafjallajökull, a análise da morfologia dos relâmpagos sugeriu que predominou a eletrização por silicatos, e alguns pesquisadores não encontraram evidências convincentes que ligassem o início dos raios a temperaturas de formação de gelo. No Bogoslof e no Redoubt, ao contrário, a água externa, vinda do oceano e de uma geleira no cume, parece ter sido importante para a eletrização por gelo. Como disse a cientista de Los Alamos Sonja Behnke: “Parece ser importante haver água externa para que exista o mecanismo de eletrização por gelo.”
Quanto gelo é necessário, e exatamente quando a eletrização por gelo assume o lugar da eletrização por silicatos, são questões em aberto. O resumo honesto é que a eletrização opera em um contínuo, dominado por processos de silicato perto da boca eruptiva e por processos de gelo no alto de plumas altas e úmidas, com o ponto de transição dependendo da quantidade de água que uma determinada erupção carrega.
Perguntas frequentes
O que causa os raios vulcânicos?
Partículas carregadas em uma pluma vulcânica. A rocha que se fragmenta em cinzas ejeta carga (fractoemissão), partículas de cinza em colisão trocam carga (eletrização triboelétrica) e, no alto de plumas altas, partículas de gelo se carregam como em tempestades. A turbulência separa as cargas até que uma faísca salte.
Os raios vulcânicos são iguais aos raios comuns?
A descarga em si obedece à mesma física. A diferença está na origem da carga: cinza e rocha, em vez de água e gelo. Os raios vulcânicos podem ocorrer mesmo quando não há gelo na nuvem, o que os raios comuns não conseguem.
Por que o fenômeno é chamado de tempestade suja?
Porque a carga se acumula em uma nuvem cheia de cinza vulcânica “suja”, e não em uma nuvem limpa de água.
Quão intensos foram os raios do Hunga Tonga?
Atingiram o pico de 2.615 relâmpagos por minuto e produziram mais de 192.000 relâmpagos, a tempestade elétrica mais intensa já detectada pelas redes globais, com alguns relâmpagos chegando a 20 a 30 km de altitude.
Os raios vulcânicos podem ser usados para prever erupções?
Eles são usados para detectar e acompanhar erupções em andamento, e não para prevê-las com antecedência, o que dá um alerta rápido sobre nuvens de cinzas que ameaçam aeronaves.
Os raios vulcânicos deixam algum vestígio?
Sim. Eles fundem a cinza em minúsculas esferas de vidro, chamadas de esférulas vulcânicas induzidas por raios, que podem ser encontradas em depósitos de queda de cinzas.
Quais vulcões produzem mais raios?
Erupções explosivas grandes e ricas em cinzas, sobretudo as de VEI 3 ou mais. Sakurajima, Redoubt, Eyjafjallajökull, Calbuco, Bogoslof e Hunga Tonga são exemplos bem documentados.
