Lightning and precipitation produced by severe weather systems over Belém, Brazil

Eventos de raios nuvem-solo registrados pela rede de detecção do SIPAM, integrada por 12 sensores VAISALA LPATS IV, distribuídos no leste da Amazônia, foram analisados durante 4 tempestades com ocorrência de precipitação intensa em Belém-PA-Brasil, em 2006-2007. Esses casos selecionados, correspondem a eventos de chuva com mais de 25 mm/hora ou 40 mm/ 2 horas, de precipitação registrada por um pluviômetro instalado em 1º 47' 53" and 48º 30' 16" O. Com centro nessa localização, um círculos de 30, 10 e 5 km de raio foram traçados através de um sistema de informação geográfica e os dados de eventos de raios nessas áreas foram separados para analise. Durante essas tempestades, os eventos de raios ocorreram de maneira quase aleatória, sobre a área maior que já havia sido previamente coberta por sistemas convectivos de mesoescala, em todos os casos. Esse trabalho também mostrou a grande influencia dos sistemas de larga escala nas condições de tempo que levaram às tempestades severas estudadas. Adicionalmente, foi observado que, quando existe interação entre sistemas de larga e meso escalas, tanto a precipitação como o numero de relâmpagos aumentaram significativamente e a atividade elétrica nos círculos maiores pode anteceder a chuva no ponto central.

Bases para o espírito: Ferreira Penna, ciência e educação na Província do Grão- Pará (1866 – 1891)

As contribuições de Domingos Soares Ferreira Penna (1818-1888) à ciência realizada na província do Grão-Pará na segunda metade do século XIX são continuamente referidas em trabalhos sobre a fundação do Museu Paraense de História Natural e Etnografia em 1866, uma vez que o político mineiro fora seu idealizador e primeiro diretor. Contudo, a participação de Ferreira Penna na sociedade paraense da época se estendeu à instrução pública, tema de urgência no discurso das autoridades provinciais. É no sentido de se buscar a consonância deste personagem com as discussões de seu tempo sobre ciência e educação que este trabalho se desenvolve. Buscamos escritos da autoria de Penna, em especial as páginas dedicadas à instrução pública, além de discursos governamentais e pensamentos de outros autores sobre o tema. Partimos de um personagem singular por acreditarmos que pode ser procedimento inicial para compreendermos o contexto social no qual se insere. Seus textos foram analisados com base em elementos da análise de conteúdo, que nos permitiram organizar palavras e expressões em Unidades de Contexto e selecionar quais seriam mais apropriadas para a análise das fontes. A análise nos conduziu à idéia de que, para Ferreira Penna, a instrução teria como uma de suas prioridades a iluminação intelectual dos indivíduos como um todo, em especial os das camadas populares. Esta necessidade acompanhava a proposta da consolidação de uma identidade nacional, cuja inexistência era sentida por políticos e intelectuais. Ainda nesse projeto, o conhecimento dos recursos naturais através das ciências da natureza seria indispensável à luz da inteligência que se buscava incutir nos jovens através da instrução. Neste ponto, ciência e educação se convergem, por serem investimentos utilitários para um propósito mais amplo. O pensamento de Penna se adere ao de vários pensadores da época, em especial no que diz respeito à liberdade de ensino e a uma possível defesa do regime republicano em detrimento do regime monárquico, findo em 1889. Apesar das idéias parecerem adiantadas para sua época, o conservadorismo do pensamento de Ferreira Penna em alguns pontos nos ajuda a compreender a dimensão na qual mudanças para a instrução eram pensadas, de modo que não comprometessem a organização social vigente.

Análise eletromagnética de cabos OPGW utilizando métodos numérico e analítico

Este trabalho apresenta o estudo eletromagnético de cabos OPGW (Optical Ground Wire) os quais têm dupla função: de pára-raios para linhas de transmissão de alta tensão e de canal de comunicação através de fibras ópticas embutidas na estrutura do cabo. Descargas atmosféricas ou curtos-circuitos podem comprometer a integridade do cabo, devido ao aquecimento nas regiões onde há maior concentração de corrente. Para a análise deste problema foram feitos cálculos eletromagnéticos relacionando-os aos efeitos térmicos no cabo. Nesta análise foram consideradas três diferentes geometrias: o modelo de cabo real, o modelo de cabo com camadas homogêneas e o modelo de cabo com uma camada modificada; esta modificação está relacionada à forma geométrica dos fios da armação do cabo. As ferramentas utilizadas em tal estudo foram o software comercial FEMLAB Multiphysics, baseado no método dos elementos finitos, e um método analítico desenvolvido a partir das equações de Maxwell no domínio da freqüência, que foi implementado utilizando o software MATLAB. Os principais resultados deste trabalho são gráficos de distribuição de densidade de corrente na seção reta do cabo para diferentes freqüências, estudo do efeito pelicular e do efeito de proximidade entre os condutores do cabo.

Desenvolvimento de Interface gráfica como suporte para soluções numéricas das equações de Maxwell em coordenadas gerais – 3D

Neste trabalho, é implementada uma interface gráfica de usuários (GUI) usando a ferramenta Qt da Nokia (versão 3.0). A interface visa simplificar a criação de cenários para a realização de simulações paralelas usando a técnica numérica Local Nonorthogonal Finite Difference Time-Domain (LN-FDTD), aplicada para solucionar as equações de Maxwell. O simulador foi desenvolvido usando a linguagem de programação C e paralelizado utilizando threads. Para isto, a biblioteca pthread foi empregada. A visualização 3D do cenário a ser simulado (e da malha) é realizada por um programa especialmente desenvolvido que utiliza a biblioteca OpenGL. Para melhorar o desenvolvimento e alcançar os objetivos do projeto computacional, foram utilizados conceitos da Engenharia de Software, tais como o modelo de processo de software por prototipagem. Ao privar o usuário de interagir diretamente com o código-fonte da simulação, a probabilidade de ocorrência de erros humanos durante o processo de construção de cenários é minimizada. Para demonstrar o funcionamento da ferramenta desenvolvida, foi realizado um estudo relativo ao efeito de flechas em linhas de baixa tensão nas tensões transitórias induzidas nas mesmas por descargas atmosféricas. As tensões induzidas nas tomadas da edificação também são estudadas.

Análise bidimensional dos efeitos das descargas atmosféricas em cabos OPGW utilizando o método ADI-FDTD

Neste trabalho é analisado o comportamento da densidade de corrente em cabos OPGW quando submetidos a descargas atmosféricas. Para esta análise, foram aplicados dois modelos de corrente, uma vez que a descarga atmosférica tem duas componentes principais que causam mais danos aos cabos em geral: a componente impulsiva e a componente contínua. O método numérico utilizado para as simulações computacionais é o método ADI-FDTD (Diferenças Finitas no Domínio do Tempo de Direções Alternadas Implícitas), o qual é truncado pela técnica CPML (Convolutional Perfectly Matched Layers). Com base no comportamento da corrente no cabo, é feita uma avaliação para determinar qual das duas componentes de descarga atmosférica pode causar mais danos aos cabos OPGW.

Planejamento de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas para unidades habitacionais de baixa renda

A presente pesquisa tem como finalidade fazer um levantamento do perfil de ocorrência de descargas atmosféricas nos municípios de Belém, Ananindeua e Marituba, no período de 1991 até 2011 com o objetivo de determinar as características de ocorrência de raios nesses municípios, bem como identificar quais fatores precisam ser observados e/ou identificados com o intuito de se realizar um adequado planejamento de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas em empreendimentos habitacionais de baixa renda construídos pelo programa de aceleração do crescimento do governo federal, mais precisamente no conjunto habitacional Taboquinha, localizado no bairro do Cruzeiro em Icoaraci. A partir da análise comparativa realizada com dados de detecção de raios provenientes da rede de detecção de raios STARNET, dados de ocorrência de raios provenientes do sensor LIS instalado a bordo do satélite TRMM, bem como de dados provenientes da norma NBR 5419, concluiu-se que o presente conjunto habitacional necessita da instalação de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas em virtude do registro de ocorrências de sinistros envolvendo a incidência direta de descargas atmosféricas, bem como de seus efeitos secundários. Ao final do trabalho de pesquisa são apresentados tópicos de discussão associados a conclusões sobre o perfil de ocorrência de raios na presente região de estudo que são explicitadas pela norma NBR 5419, fatos estes que podem vir a prejudicar o patrimônio público, bem como os cidadãos comuns e suas edificações.

Modelagem de sistemas de detecção de descargas atmosféricas na Amazônia

As descargas atmosféricas representam um dos maiores fatores de riscos para o setor elétrico, especialmente na Amazônia, uma região do mundo identificada com altas densidades de ocorrências e picos de corrente de raios. Nesse contexto, a rede STARNET (Sferics Timing And Ranging NETwork), único sistema de detecção de descargas elétricas atmosféricas, terrestre, gratuito, e contínuo, cobrindo toda a região Amazônica, foi escolhido para a geração de padrões de descargas atmosféricas necessários a otimização dos sistemas de proteção das linhas de transmissão por meio de sistema de monitoramento de descargas atmosféricas. Contudo, o funcionamento intermitente, observado nos diagramas operacionais das várias estações da rede STARNET, afeta o desempenho global do sistema, em especial a eficiência de detecção. Por isso, foi desenvolvido um modelo de uniformização dos dados de descargas atmosféricas em função da configuração da rede (número e localização dos sensores em operação), no objetivo final de editar mapas de índice ceráunico e densidades de raios confiáveis. Existem regiões da Amazônia que sempre apresentam anomalias positivas de densidade de raios como as regiões de Belém e Manaus, bem como o estado do Tocantins que afeitam as linhas de transmissão. Depois, a incidência de raios nas linhas de transmissão na Amazônia foi estimada a partir da distribuição de pico de correntes registrada pela RDR-SIPAM e da densidade de raios corrigida da rede STARNET. A avaliação do desempenho da rede STARNET tendo como referencia à rede de detecção de raios do Sistema de Proteção da Amazônia (RDR-SIPAM) mostrou também uma forte dependência da eficiência de detecção da rede STARNET em função do pico de corrente das descargas atmosféricas.

Estudo dos efeitos das descargas atmosféricas nos índices de desempenho da subestação de Vila do Conde

Este trabalho tem como objetivo apresentar os efeitos de descargas atmosféricas nos índices de desempenho na SE VDC (subestação de Vila do Conde), situada na região norte, no estado do Pará, no período de 2005 a 2013, estabelecendo a relação entre as informações meteorológicas cedidas pelo SIPAM e dados fornecidos pelo centro de operações da Eletronorte de forma a realizar e determinar os efeitos nocivos das descargas atmosféricas, os quais são responsáveis pela intensificação de interrupções no fornecimento de energia elétrica. A análise é restrita à área de atuação da Eletronorte (subestação de Vila do Conde) que tem grande parte de suas Linhas de Transmissão de energia instaladas no Norte do Brasil. O estudo desenvolvido evidência os desligamentos por descargas atmosféricas na linha de transmissão VDC/CASTANHAL de 230 KV e no disjuntor de 500 KV VCDJ7-08.Os resultados demonstram que a incidência de um raio pode causar surtos diretos e indiretos em linhas de transmissão e subestações de alta potência. Neste contexto justifica o estudo de formas eficientes de prevenção, sendo uma das finalidades desta obra, que tem como objetivo geral apresentar informações relativas aos efeitos produzidos pela ação de descargas atmosféricas em subestações do setor elétrico quanto à qualidade de energia, em especial na SE VDC – Sistema Eletrobrás-Eletronorte.

Processo de attachment, densidade de raios e a ocorrência de flashover em linhas de transmissão de eletricidade

Esta tese refere-se ao uso de modelos de attachment de lideres (Leader Progression Model – LPM) para estimativa da distancia de salto, que, junto com dados de densidade de raios como coletado pelo sistema de detecção de raios do SIPAM, são usados para estimar a taxa de flashover em linhas de transmissão de eletricidade na Amazônia. O modelo de progressão de líder desenvolvido nesta tese é denominado ModSalto, que, para estimar a distancia de salto: 1- integra a densidade linear de cargas elétricas devida ao líder, proporcional a prospectiva corrente de primeira descarga (1º stroke) Ip, para determinar o campo elétrico produzido pelo líder descendente na estrutura sob estudo (para-raios, arestas, condutores, etc.); 2 – integra a distribuição imagem do líder descendente, fazendo uso da característica de poder das pontas como fator de estimulo e intensificação do campo elétrico devido a streamers nas partes aguçadas das estruturas sob estudo, para temporizar o momento do processo de attachment. O gatilho para o líder descendente, por hipótese, se deve a ejeção aleatória de pacotes de cargas elétricas em domínios turbulentos no interior das nuvens que recebem energia por processos de cascata da turbulência geral, e o comportamento do líder descendente, deve obedecer à equação da força de Lorentz, no espaço de campos cruzados elétrico devido às nuvens a cima e o campo magnético da Terra, que obriga as cargas do líder a desenvolverem movimentos cicloidais que podem explicar a natureza tortuosa do trajeto do líder descendente. Com o objetivo de formalizar dados consistentes de densidade de raios é feita uma reanalise do conjunto de dados coletado pelo LLS SIPAM de outubro de 2006 a julho de 2008 na região amazônica, com cerca de 3 milhões de eventos, comparando-os com dados de torres instrumentadas para evidenciar-se sua qualidade e usabilidade. Dados de elevação de terreno do SRTM da NASA são usados para gerar formula do raio de atração (Ra) das estruturas passiveis de serem atingidas por raios e para gerar formulas de área de atração, usadas para quantificar o numero de raios que provavelmente atingirão determinada estrutura, baseado no valor de densidade de raios (raios/km2/ano) na área em estudo.

Influência de sistemas meteorológicos de grande escala sobre a distribuição de raios na Amazônia Oriental, com aplicação no setor elétrico

Foi feito um estudo da associação entre a densidade de ocorrência de raios com condições meteorológicas no leste da região Amazônica entre os anos de 2006 a 2008. A região estudada foi limitada por uma grade geográfica entre as latitudes 0º a -10º e longitudes -53º a -43º. Foram desenvolvidos métodos computacionais de processamento estatístico e geração de mapas de ocorrências de raios para diferentes intervalos de tempo. Esses métodos foram aplicados para determinar os pontos de altas ocorrências de raios ao longo de linhas de transmissão de energia elétrica, a fim de oferecer subsídios para a proteção e operação dos sistemas elétricos da região. Foram utilizados dados da rede de detecção de raios do SIPAM para redimensionar a detecção do sistema de alcance intercontinental STARNET, e subsequentemente, foram obtidos mapas de densidade de raios mais uniformes e realistas. Esses mapas foram interpretados em períodos semanais e sazonais, considerando as observações simultâneas de chuva, vento, radiação de onda longa e a presença de sistemas meteorológicos de grande escala. Zona de Convergência Intertropical e Zona de Convergência do Atlântico Sul (ZCIT, ZCAS) definidos pela convergência de ventos e anomalias negativas de Radiação de Ondas Longas ( ROL). Os resultados mostraram boa correspondência entre as áreas de convecção e a intensa ocorrência de raios. Nas regiões de mais alta atividade elétrica atmosférica, foi observada ocorrência de convergência dos ventos e anomalias negativas de ROL, para situações de presença de ZCAS e ZCIT sobre a região. A atividade de raios também coincidiu, com algumas exceções, com áreas de maior precipitação em períodos semanais. Foi observado também que, durante um trimestre seco, os segmentos de linhas de transmissão de Mojú-Tailândia e Jacundá-Marabá apresentaram maior incidência de raios. O pico da densidade de raios chegou a 18 raios/km²/trimestre em alguns locais. Durante o trimestre chuvoso, a densidade geral de raios foi 86% maior e apresentou distribuição espacial mais uniforme quando comparada com um trimestre seco. Este estudo mostrou não somente como as características meteorológicas influenciaram na distribuição e quantidade raios, mas também que a elevada atividade de descargas elétricas na região deve ser uma preocupação importante para os sistemas de distribuição de energia elétrica e outras atividades humanas na Amazônia Oriental.

Relações entre raios e chuvas na Amazônia Oriental

O objetivo desse estudo foi analisar a relação entre descargas elétricas, associadas à precipitação dentro de áreas selecionadas no leste da Amazônia no período de setembro de 2008 a dezembro de 2010. Os estudos foram realizados dentro de um raio de 100 km centralizados em pluviômetros instalados das localidades de Belém, Caxiuanã e Santarém. Essas áreas foram escolhidas por encontrarem-se aproximadamente na mesma latitude, e vão se distanciando do Oceano Atlântico, buscando observar a sazonalidade dos sistemas precipitantes causadores de raios e sua penetração no continente, observando as características climatológica distintas de cada área. Os dados de chuvas foram obtidos através do banco de dados da ANA, RPCH, INMET e através do Projeto LBA. Os sistemas meteorológicos de grande escala acompanhados de sistemas de escala menores, parecem atuar primeiramente em Belém e vão adentrando o continente atingindo as outras áreas de estudo. Em Belém, também foram observadas as maiores ocorrências de raios comparados com Caxiuanã e Santarém, sendo que nessas localidades, os raios antecedem as chuvas em quase todas as observações. Foram observadas as defasagens dos máximos de ocorrências de raios e chuvas de aproximadamente dois meses acompanhando principalmente o sentido norte sul de deslocamento da ZCIT e seu acoplamento com outros sistemas de escala local ou de meso escala. Foi feito um estudo de caso em Belém e Santarém onde observou-se que a ZCIT não segue o mesmo padrão de deslocamento para as duas localidades , ou seja, ela atinge primeiramente Belém e aproximadamente três dias depois o sistema atingiu a cidade de Santarém. Mesmo com essa defasagem de tempo foi visto que nas duas localidades as ocorrências de raios antecederam as chuvas. Também foi realizado um estudo pioneiro dentro das bacias do Tocantins e Xingu sobre a relação entre raios e chuva, na tentativa de se desenvolver uma alternativa de método auxiliar para prognostico dos períodos de cheias e secas dentro dessas bacias através das ocorrências de raios sobre essas áreas. Os estudos mais detalhados foram realizados nas áreas a montante das barragens de Tocantins onde se encontra a usina hidroelétrica de Tucuruí, e dentro da área da bacia do Xingu onde está sendo construída a barragem de Belo Monte. Foram utilizados dados de precipitação pluviométrica das bacias do Tocantins e Xingu obtidos através da HIDROWEB-ANA operados pela CPRM dentro de cada área de estudo. Usando filtros de médias móveis foram observados que as melhores correlações entre raios e chuvas, se encontravam dentro da bacia do Tocantins, provavelmente pela influencia da presença da barragem na bacia do Tocantins onde possibilitou respostas positivas entre a relação da cota do rio com os raios. Considerando o fato de que o período de dois anos de dados não possuem peso estatístico suficiente para estabelecer relações definitivas entre raios e precipitação, os resultados apresentados devem ser considerados como preliminares. No entanto essa metodologia pode ser aplicada para subsidiar modelos de estimativas de precipitação em localidades selecionadas e aplicações no modelamento hidrológico de bacias hidrográficas, onde dados pluviométricos ainda são escassos no leste da Amazônia.

Características e distribuição das descargas atmosféricas e dos sistemas precipitantes produtores de raios na Amazônia Oriental

Este trabalho analisou 10 anos de distribuição espacial e temporal dos raios, dos sistemas precipitantes e suas características, como refletividade, temperatura de brilho e altura dos sistemas precipitantes amostrados pelo satélite Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) através dos sensores Lightning Imaging Sensor (LIS), Precipitation Radar (PR) e TRMM Microwave Imager (TMI). Estes dados foram organizados e armazenados pelo grupo de pesquisa da convecção tropical da University of Utah no período de dezembro de 1997 a fevereiro de 2009. Também foram analisados dados de focos de queimadas detectadas pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), no período de 1998 a 2008. Foi selecionada uma área delimitada entre 60ºW a 45ºW de longitude e 10ºS a 5ºN de latitude, a qual, posteriormente, foi dividida em nove sub-áreas para um melhor detalhamento dasinformações. Para verificar a possível influência das queimadas no número de raios, selecionaram-se oito áreas, sendo 4 com o maior número de focos de queimadas e 4 com o menor número de focos de queimadas. Os sistemas precipitantes foram classificados seguindo a metodologia de Nesbitt et. al. 2000 e obedecendo a nova definição dos dados realizado por Liu (2007). Os sistemas precipitantes amostrados pelo satélite TRMM utilizados neste trabalho são denominados ALLPFS e são definidos como aqueles que apresentam pixel de chuva estimado pelo algoritmo 2A25. Estes são classificados em PFS e OTHPFS, que respectivamente, são aqueles que apresentam e não apresentam informação de temperatura de brilho. Os PFS são sub-classificados em sistemas sem assinatura de gelo (NOICE), com assinatura de gelo (WICE) e sistemas convectivos de mesoescala (MCS), sendo que os sistemas mais intensos, dentre estes últimos, são sistemas que recebem a denominação de IMCS. Os resultados mostram que as regiões do sul do Estado do Pará, município de Belém e Ilha do Marajó foram as que apresentaram as maiores ocorrências de raios na Amazônia Oriental, com valores superiores a 20 a 35 raios/km^²/ano. Os NOICEs foram os sistemas mais frequentes em todas as regiões e os sistemas precipitantes da categoria WICE e MCS são aqueles que mais contribuem com a produção de raios sobre essas regiões. Os sistemas eletrificados apresentam grande contribuição no volume de chuva estimada sobre as áreas CENTRO e SUL, com percentuais superiores a 50% nas áreas SUL. A variação mensal dos raios na área de estudo mostrou que as maiores ocorrências de raios sobre o município de Belém são nos meses de janeiro a junho, com um pico no mês de janeiro. As maiores ocorrências no setor SUL da Amazônia Oriental concentram-se nos meses de setembro a dezembro. Nas análises sobre a interação entre os raios e as queimadas não se observou coerência, dentro das áreas de maior número de queimadas, na correlação mensal entre os raios e as queimadas, evidenciando que, apesar do grande número de queimadas observado sobre essas áreas, outros fatores interferem na produção de raios.

Distribuição de raios, precipitação e casos de tempestades severas na Amazônia Oriental

O objetivo deste é analisar a relação entre raios e precipitação, sobre diferentes tipos de superfície terrestre e através de estudos de caso de tempestades severas, durante o período de dezembro de 2006 à dezembro de 2008. Os estudos foram feitos dentro de uma área definida pelas coordenadas geográficas 0° a 6° S e 50° a 47° W, abrangendo partes dos estados do Pará, Maranhão e extremo norte de Tocantins.Essa região de estudo foi escolhida por estar localizada em uma área central em relação à localização dos sensores da rede de detecção de raios do Sistema de Proteção Amazônia (RDR-SIPAM) e que contém a maior parte das linhas de transmissão de energia elétrica da região. Os dados de chuva foram coletados por 46 pluviômetros digitais das estações meteorológicas do INMET e HIDROWEB- ANA. Nas análises dos dias de tempestades severas, também foram utilizados dados de pluviômetro de alta resolução temporal operado pela CPRM em Belém. Para classificação dos tipos de superfície e em particular da cobertura vegetal, foram utilizadas as informações de banco de dados sobre Recursos Naturais do IBGE. Para um melhor detalhamento sobre a relação entre raios, precipitação e tipos de superfície, a área de estudo foi dividida em três sub-áreas que possuem características fisiográficas distintas. A Área 1 inclui a Ilha do Marajó e a grande massa d'água da foz do Rio Amazonas e oceano Atlântico próximo. A Área 2 possui 60% de cobertura por floresta. A Área 3 tem 62% de cobertura por áreas agrícolas e/ou pastagens. Os sistemas meteorológicos de larga escala produtores de chuva e raios foram analisados tanto para as 3 áreas consideradas, como nos casos de tempestades severas em torno de Belém. Nessas tempestades foi observado, em quase todos os casos, que os raios antecedem as chuvas. Em geral ficou evidenciada a influencia sazonal na densidade de ocorrência de raios sobre os diferentes tipos de superfície. Todavia, esse trabalho também mostrou que as condições meteorológicas determinam mais amplamente as magnitudes dessa variável. Isso pode ser observado com bastante clareza nos estudos de casos de tempestades severas, onde a ZCIT e as LI`s são fatores determinantes da precipitação e conseqüentemente dos raios ocorridos em Belém.