Tempestades solares, Clima espacial e Geofísica espacial

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Nos últimos dias o sol tem estado muito ativo é o que vem informando o “Space Wheater Prediction Center”, órgão que monitora o clima espacial. Para um leigo ou uma pessoa desatenta isso poderia significar mudanças na temperatura de sua cidade e possivelmente dias mais quentes ou mais chuvoso. Porém não é exatamente desse tipo de tempo, das frentes frias, que eu estou me referindo. Quando falo de clima espacial, me refiro outro que é fundamental para que a vida moderna seja garantida.

Quando me refiro ao clima espacial, falo das variações no ambiente espacial entre o sol e a terra. Falo das modificações que ocorrem no Sol e das transformações causadas na magnetosfera, termosfera e ionosfera terrestre devido diferentes características e propriedades do vento solar. Assim, o clima espacial pode ser entendido como todo um campo de pesquisa que irá fornecer novos insights sobre as influências e efeitos do sol e de outras fontes cósmicas do meio interplanetários.

Igylogo

Claramente, este campo de pesquisa não parece ser familiar para a meteorologia, pois não é mesmo, nem mesmo da astronomia, pois a pesquisa por mais que tenha relação com o espaço interplanetário, ainda estamos falando da terra. Essa é uma área multidisciplinar que é campo da geofísica espacial. Se para alguns a geofísica era conhecida apenas por achar petróleo, bem, há mais coisas que ela abrange. Uma das muitas coisas interessantes na geofísica espacial, assim pode ser dizer, é que ela foi tema da primeira série de anos internacionais organizados pelas nações unidas em 1957-1958. Nesse evento, tanto a União soviética quanto EUA lançaram seus primeiros satélites artificias, a URSS com o Sputnik 1, em 4 de outubro de 1957, foi o primeiro satélite artificial bem-sucedido. O explore 1, em fevereiro de 1958, lançado pelos EUA, foi responsável pela descoberta de um cinturão de radiação de Van Allen e a definição das dorsais meso oceânicas, ponto importante para a confirmação das placas tectônicas.

O melhor entendimento do geoespaço, região entre 50 km e aproximadamente 10 raios da terra, permitiu que outros satélites fossem desenvolvidos, tanto para uso comercial nas comunicações a geolocalização, como científico através do sensoriamento remoto. Porém, para manter estes satélites nesse ambiente com funcionamento adequado, é necessário entender as reais condições do clima espacial e os mecanismos físico dessas regiões do espaço. Além dos satélites, que são o chamariz direto para área aplicada, o conhecimento das propriedades fundamentais desse meio são importantes para a ciência em seu próprio direito de estudo. O compreendimento de fenômenos como as auroras (boreal e austral) está relacionada diretamente com a fotoquímica da atmosfera, mais precisamente a ionosfera terrestre. A condição de propagação de ondas eletromagnéticas, das mais diversas frequências, também é relacionada com a “saúde” dessa camada pois são afetadas por fenômenos solares. As condições impostas pela dimensão da natureza não são prontamente reproduzíveis em laboratórios, assim há 3 grandes regiões que pudemos destacar nesse estudo.

  • O espaço entre a Sol – Terra;
  • Atmosferas terrestres pois é a região onde as emissões solares irão reagir;
  • Campo geomagnético externo o que influência a atmosfera ionizada e controla a entra de partículas na terra.
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Aurora boreal vista do Alasca

O sol e o vento solar

O Sol é estrela no centro do sistema solar e estabelece para cada planeta um ambiente de radiação capaz de controlar a temperatura e determina a composição da atmosfera, inclusive a adequação para a vida, para nossa sorte. A Sol, tem como mecanismo da geração de sua energia as reações de fusão do hidrogênio em hélio que ocorrem no núcleo. Toda esta energia demora cerca de aproximadamente 107 anos para atravessa a zona radiativa e posteriormente a zona convectiva até atingir a superfície. A figura abaixo esquematiza essas zonas.

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Essa energia gerada pelo sol é irradiada como ondas eletromagnéticas em um amplo espectro de comprimento de ondas, para todas as direções, uma pequena parcela chega a terra. Dessa pequena parcela, apenas aquelas na região do visível até rádio atingem a superfície da terra, as demais são absorvidos na atmosfera. Desta forma, a combinação da quantidade de radiação emitida pelo Sol com a distância Sol-Terra, determina grande parte da natureza da atmosfera terrestre. A emissão da radiação solar sofre variações ao longo dos anos. O ciclo de Schwabe, mostra a atividade solar em intervalos de aproximadamente 11 anos. A figura abaixo mostra o registro dos últimos 400 anos.

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Grandes mudanças na redução de emissão de radiação solar podem ser responsáveis por mudanças climáticas lentas, tais como produzidas na idade do Gelo, ou mais recentemente durante o mínimo de maunder. As mudanças de curto prazo, dias, semanas e alguns anos, parecem pouco afetarem o tempo e o clima, apesar de alguns esforços em busca de possível correlação. No entanto, nas regiões mais altas da atmosfera, observamos que as modificações da atmosfera são grandes e rápidas. A alta atmosfera é a região onde maior parte das radiações solares mais energéticas chegam e aquecem os constituintes. Nessa região, a atmosfera é extremamente sensível as variações da atividade solar, em geral, bem com as explosões de curta duração, intensas e localizadas no sol, também conhecido como erupções solares ( solar flares).

Além da radiação, o sol emite um fluxo de matéria constantemente, a este fluxo chamamos de vento solar, o que constitui assim segunda conexão vital entre a Sol e da Terra. O vento solar, assim com a radiação é emitida radialmente pelo sol e arrasta consigo o campo magnético solar, sim o sol tem um campo magnético. Devido a rotação do sol é que temos o efeito de uma espiral para o fluxo de vento solar.

A existência desse vento contínuo se deve ao desequilíbrio hidrostático da coroa solar e o meio externo a ele, ou seja, a alta temperatura de coroa solar (106 K) e a pressão muito maior encontrada na atmosfera solar do que as do meio interestelar fazem com que o gás se expanda para o meio interplanetário. A primeira evidência da existência do vento solar data de 1951, quando Biermann, através de observações da cauda de um cometa, percebeu que uma segunda cauda mais tênue se formava radialmente ao Sol. O que se via era que a poeira cometeria estava na direção antissolar, ou seja, tornava-se clara a existência de um fluxo de gás ionizado originado no Sol que causava esta variação.

A velocidade característica de vento solar é de aproximadamente de ~400 km/s – que pode ser bem maior durante a fase ativa do Sol e uma densidade de ~7 partículas/cm3, consistindo de elétrons e prótons de alta temperatura, com uma fração menor (~4%) de íons de He. O plasma do vento encontra-se imerso no campo magnético com intensidade de aproximadamente 5 ηT e deforma a magnetosfera terrestre.

Atmosfera e Ionosfera

Apesar de o que se pode imaginar, ainda se conhece muito pouco sobre a atmosfera terrestre. Próximo a superfície, a atmosfera é um gás relativamente denso, composto principalmente de nitrogênio molecular e oxigênio com pequenas quantidades de dióxido de carbono, água e vários outros gases. Com o aumento da altitude, a pressão atmosférica e a densidade dos constituintes é reduzida. Para se ter uma ideia da redução da densidade atmosférica, até 50 km de altitude encontramos 99% da massa da atmosfera. Em altitudes acima, emissões de ultra-violeta, raio-X e partículas possuem energia o suficiente para dissociar as poucas e remanescentes espécies atmosféricas, alterando assim a composição da atmosfera aquecendo e formando íons. Assim, a composição da atmosfera muda com a altitude e os gases mais leves, como hidrogênio, tornam-se progressivamente dominantes. Por causa da baixa pressão acima dos 100 km, os íons recombinam-se mais lentamente. Assim, o equilíbrio entre a produção dos íons e a perda por recombinação e outros processos cria uma região com íons e elétrons livres chamada de ionosfera.

Classicamente se pode definir ionosfera como uma camada atmosférica o qual possuem íons o suficiente para refletir ondas de rádio. De fato, a existência de uma camada eletro-condutora como a ionosfera permitiu que ondas de rádio sejam propagadas por longas distâncias. Este fato, mostrado foi primeira vez no início do século 20, em 1901, quando Marconi transmitiu um sinal entre a Inglaterra e o Canadá.

Aqui, no entanto, é bom chamar atenção pela natureza da classificação desta camada, mesmo situando-se acima de 60 km ela não deve ser classificada como as camadas atmosféricas da baixa atmosfera, como a troposfera, estratosfera, mesosfera e termosfera. Estas são classificadas basicamente por seus processos de aquecimento e gradiente temperatura, enquanto que a ionosfera é uma região iônica que possuem outra ordem de classificação.

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Perfil de temperatura  e densidade da atmosfera. fonte:Kelly,2009

Em princípio geral, a formação da ionosfera deve-se exclusivamente ao sol porém a manutenção dela ao longo do dia e noite devem-se a lenta recombinação e ao transporte iônico de diferentes altitudes ou regiões do globo terrestre. O conteúdo eletrônico total ou a quantidade de espécies ionizadas na ionosfera é uma informação muito importante para geolocalização, uma vez que essa é a principal fonte de erro sistemático provocando erro na distância entre o satélite e o receptor

Campo Geomagnético e magnetosfera

O campo magnético da Terra, também conhecido como campo geomagnético, é o campo magnético gerado no interior da terra e se estende até o espaço, onde encontra-se com o vento solar. Este campo é gerado possivelmente no núcleo externo da Terra pela rotação e convecção de um fluido condutor(níquel e ferro), sendo esta a base da teoria do dínamo terrestre. Uma das primeiras aproximações dessa teoria é para um campo magnético bipolar com inclinação de 11º.

A presença desse campo afeta o movimento das partículas ionizadas e assim modifica as correntes elétricas existentes na ionosfera e o movimente de grandes quantidades do plasma ionosférico. A importância do campo magnético aumenta com a altitude como a atmosfera torna-se mais esparso e o seu grau de ionização aumenta. Nos níveis mais altos, mais do que alguns milhares de quilômetros acima da superfície, todo comportamento é tão dominado pelo campo geomagnético que esta região é chamado a magnetosfera.

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De fato, não há uma fronteira nítida entre a ionosfera e magnetosfera, mas entre a magnetosfera e o vento solar o limite é bem definido, chamado de magnetopausa. Esses limites são definidos pelo equilibrio entre a pressão do campo magnético e a dinâmica do vento solar. Na direção do sol, esse ponto é de aproximadamente 10 raios terrestres, enquanto que na direção oposta ao sol, a magnetosfera é estendida ao longo da direção do vento solar, como uma longa cauda, a cauda magnética, dentro da qual ocorrem processo de plasma de grande significa para a região geoespacial. A figura acima mostra algumas dessas estruturas.

Uma das relações mais conhecidas onde esse equilíbrio da magnetopausa é quebrada ocorrem durantes as tempestades geomagnéticas. A magnetosfera terrestre que é criada pelo campo magnético interno da Terra desvia parte do plasma carregado pelo vento solar e campo interplanetário, fazendo com que eles fluam ao redor da magnetosfera. O plasma do vento solar entra na magnetosfera através da conexão magnética entre as linhas do campo interplanetário e do campo magnético da Terra. Quando o campo magnético interplanetário tem direção oposta (para o sul) ao campo geomagnético (em direção ao norte), é produzido o fenômeno de reconexão e o vento solar transporta esses campos para a região da cauda que é conectada novamente. Uma das consequências desse fenômeno é a criação de correntes elétricas e consequentemente a indução de um campo magnético que afetará especialmente a componente horizontal do campo geomagnético. A animação abaixo exemplifica parte:

Como já dito anteriormente, o ambiente solar apresenta muitas partes e uma série de fenômenos que a palavra belo é muito mais adequada que complexo aqui. Apesar disso, talvez pela dificuldade de nomenclatura ou denominação aparente, torna-se difícil encontrar material adequado, muitas vezes repleto de ilustrações e poucas explicações. Da experiência desse que escreve, a dificuldade não encontra-se apenas por parte da divulgação, uma vez que poucos dos universitários das áreas de geociências e física, conhecem basicamente alguns desses processos. Assim, esse texto apresenta apenas um “overture”, em analogia as peças músicas, dos diversos assuntos relacionados que seguirão nos próximos meses.

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Referencias e leituras

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