Caracterização de tempestades produtoras de sprites na América do Sul

• Main Author: Rodrigo da Rosa Azambuja
• Other Authors: Fernanda de São Sabbsa Tavares
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2013
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2013/01.14.12.18

A relação entre as propriedades físicas e atividade elétrica de seis Sistemas Convectivos (SCs) que produziram sprites na América do Sul foi analisada utilizando a localização e horário de ocorrência dos sprites, dados de temperatura de topo de nuvem nos canais infravermelho (IR) e vapor d´água (WV) do \textit{Geostationary Operational Environmental Satellite} (GOES) 10 e 12, e dados de descargas elétricas da RINDAT e WWLLN. Um total de 506 sprites foi observado e 12\% dos eventos teve um relâmpago Nuvem-Solo (NS) gerador identificado, sendo a maioria, $\sim$95\%, de NS positivos (NS+). Para caracterizar os SCs foram analisadas: a área total dos sistemas, área de topos frios, fração convectiva (FC), temperatura média (T$_{med}$) e taxa de ocorrência de relâmpagos NS. A área dos SCs foi calculada adotando um limiar de temperatura de T $\leq$ -38$°$ C e as células convectivas imersas foram associadas a topos frios com em T $\leq$ -63$°$ C, exceto para a tempestade de fevereiro de 2006, que era $\sim$8$°$C mais \textquotedblleft{quente}\textquotedblright que as demais e para a qual foi adotado o limiar T $\leq$ -54$°$ C. Os relâmpagos NS geradores de sprites eram relâmpagos NS+ que ocorreram preferencialmente na região de precipitação estratiforme dos SCs. Em função disso foi proposto um modelo conceitual para as características de um sistema convectivo favorável à ocorrência de sprites. Nesse modelo, a geração de sprites é mais propícia durante o período de decréscimo da FC, após ela ter atingido seu máximo, e consequente durante o aumento da T$_{med}$, independentemente do que acontece com a área total do sistema, que pode estar aumentando, diminuindo ou estável. O modelo também prevê nessa fase um aumento da taxa de ocorrência de NS+, superando a de NS-, devido à dissipação das células convectivas que alimentam região estratiforme com água e gelo predominantemente eletrificados com carga positiva, condição fundamental para a ocorrência dos NS+ geradores de sprites. Em 3 casos analisados essas características foram observadas após o SC atingir grandes áreas e alta atividade de relâmpagos NS. Um dos sistemas produziu um único sprite em apenas 2,5h após seu início, tempo curto em relação a média de $\sim$10 h nos outros casos estudados e de 3-8 h relatados na literatura. Com uma área máxima de 6.000 km$^{2}$, duas ordens de magnitude menor que a área média dos sistemas estudados, $\sim$260.000 km$^{2}$, comparável à área dos sistemas convectivos produtores de sprites na Europa e Japão, foi o menor sistema produtor de sprites já observado na América do Sul, tendo ocorrido na região do norte da Argentina, que tem características sinóticas semelhantes ao planalto central Norte Americano, potencializadoras de grandes sistemas de mesoescala. Nos demais casos, as características propostas no modelo não puderam ser observadas possivelmente devido a: (1) o grande número de núcleos convectivos com diferentes ciclos de vida imersos na área do SC; (2) a união do SC a outros sistemas convectivos. Embora todos os sprites tenham ocorrido sobre regiões de dissipação de áreas convectivas, essas regiões tinham uma diferença de temperatura no canal de vapor d´água com infravermelho ($\bigtriangleup$ T = T$_{WV}$-T$_{IR}$) maior que -15$°$C, o que indica que essas nuvens eram penetrativas, i.e., com alto conteúdo de gelo, potencialmente um \textquotedblleft{reservatório}\textquotedblright de cargas positivas. === The relationship between physical properties and electrical activity of six convective systems (CSs) that produce sprites in South America was analyzed using the location and time of occurrence of sprites, cloud top temperature in the infrared (IR) and water vapor (WV) channels of the Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) 10 and 12, and electrical discharge data from RINDAT and WWLLN. A total of 506 sprites was observed, and 12\% of the events had a parent cloud-to-ground (CG) lightning identified, the majority being positive CGs (+CGs), $\sim$95\%. To characterize the CSs the following parameters were analyzed: the total area of the systems, area of the tops cold, convective fraction (CF), mean temperature (Tmed) and rate of occurrence of CG lightning. The CS areas were calculated by adopting a threshold temperature of T $\leq$-38$°$C and for the areas of the convective cells immersed in the system at the adopted threshold was T $\leq$-63$°$C, except for the storm of February 2006, which was $\sim$8$°$C warmer than the others and for which the adopted threshold was T $\leq$-54$°$C. The sprite parent CG lightning were CG+ that occurred preferentially in the region of stratiform precipitation. Due to that, a conceptual model for the characteristics of a convective systems favorable to the occurrence of sprites was proposed. In this model, sprite generation is favored during the decrease in CF, after it reached its maximum and consequent increase of Tmed, regardless of the total area of the system, which may be increasing, decreasing, or stable. The model also predicts that in this phase there is also an increase in the rate of occurrence of +CGs, exceeding the -CG rate, due to the dissipation of the convective region, which feeds the stratiform region with predominantly positively charged water and ice basic condition for occurrence of sprite generating +CGs . These characteristics were observed after the CS reach large areas and high CG lightning activity in 3 cases analyzed. One of the systems produced a single sprite only 2.5 h after its onset, a short time compared to the average of $\sim$10 h for the other cases studied, and 3-8 h reported in the literature. With a maximum area of 6,000 km$^{2}$, two orders of magnitude smaller than the average size of the systems studied, $\sim$260,000 km$^{2}$, the size of this system was comparable to the area of convective systems producing sprites in Europe and Japan. It was the lowest sprite producing system ever observed in America South, occurring in the northern region of Argentina, which has similar synoptic characteristics to the North American high plains, which provide for large mesoscale systems. In other cases, the characteristics proposed in the conceptual model could not be observed possibly due to: (1) the large number of convective cells with different life cycles immersed in the CS area, (2) the merge of the CS with other convective systems. Although all sprites have occurred over regions of convective dissipation, these areas had a temperature difference between the water vapor and infrared ($\bigtriangleup$T = T$_{W V}$-T$_{IR}$) greater than -15$°$C, indicating that these clouds were penetrative, with high ice content , potentially a \textquotedblleft{reservoir}\textquotedblright of positive charges.