Tempestades Geomagnéticas e as Auroas

Nos últimos dias (10, 11 e 12 de maio de 2024), a Terra foi atingida por uma estrutura solar que causou a maior tempestade geomagnética dos últimos 20 anos, ou seja, dos últimos dois ciclos solares. A Figura abaixo mostra o índice planetário Kp, que é amplamente utilizado, pela comunidade científica, para quantificar a intensidade das perturbações do campo magnético da Terra, causadas por estruturas solares.

Uma tempestade moderada ocorre quando Kp ultrapassa o valor 3, e é intensa quando ultrapassa 6. Nessa tempestade o índice Kp atingiu o maior valor possível, chegando a 9, e ficou entre 8 e 9 por aproximadamente 30 hora, pois cada uma das barras do gráfico compreende um período de 3h.

FONTE: https://kp.gfz-potsdam.de/en/

Um dos principais efeitos observados na Terra, por causa de estruturas solares e tempestades geomagnéticas, são as Auroras Boreais e Austrais, que geralmente ficam restritas nas regiões polares Norte e Sul, respectivamente. No entanto, nessa tempestade foi possível observar Auroras em Portugal, na Itália e na Austrália. Houve relatos de que foi possível observar aurora no sul do Brasil, na cidade de Chuí, no extremo sul do estado do Rio Grande do Sul, na fronteira com o Uruguai.

Mas por que é que as auroras só podem ser observadas nas regiões polares?

Na figura esquemática abaixo, que está obviamente fora de escala, é possível mostrar que o vento solar (fluxo de partículas emitido continuamente pelo Sol), representado pelas linhas amarelas, não entra na magnetosfera da Terra, pois nosso campo magnético age como escudo e o vento solar escoa entorno da Terra, achatando o campo magnético da Terra no lado de frente para o Sol e expande esse campo no lado noturno.

Como o campo magnético terrestre é predominantemente bipolar, tendo seus polos magnéticos muito próximos aos polos geográficos. Nesses polos geomagnéticos, o campo é predominantemente vertical, ao contrário da região equatorial que possui campo predominantemente horizontal, e portanto as partículas do vento solar podem entrem com maior facilidade em um campo vertical, e com muita dificuldade no campo horizontal (para os físicos que eventualmente irão ler, a Força responsável por isso é a Força de Lorentz F = q(v x B)). Com isso, as partículas do vento solar podem atingir a atmosfera da Terra, e por causa da sua energia, elas interagem com as moléculas da atmosfera, tornando-as energeticamente excitadas. Quando as moléculas e átomos da atmosfera voltam para seus estados fundamentais de energia, eles emitem Luz, e essa luz é visível na superfície formando as Auroras. Quando há uma tempestade geomagnética, como essa que ocorreu, o campo magnético da Terra de "abre" permitindo a entrada de uma grande quantidade de partículas do vento solar, e, portanto a região onde ocorre as Auroras de expande, não ficando restritas somente nas regiões polares.

FONTE: https://spaceplace.nasa.gov/aurora/en/

Outra questão muito interessante são as diferentes cores das Auroras, que estão diretamente ligadas à dois fatores: energia das partículas que entram na Atmosfera e ao elemento predominante na altitude onde há interação da partícula do vento solar com o elemento da atmosfera.

Na figura abaixo, feita pela Agência Espacial Canadense, é possível entender que as Auroras Vermelhas são as mais altas, ocorrem devido à excitação do Oxigênio Atômico acima de aproximadamente 240 km de altitude. As Auroras Verdes também são causadas pelo Oxigênio Atômico excitado em altitdes entre 100km e 240km, portanto em regiões de maios densidade de Oxigênio, e por causa dessa maior densidade e menor altitude, as partículas incidentes devem ter uma maior energia. Já as Auroras Lilás, que ocorre entre 90 e 100km de altitude, e Azuis, que ocorrem abaixo de 90km, são as mais raras e estão associadas a tempestades geomagnéticas intensas, e são causadas pela presença de Nitrogênio Molecular.

A Natureza é simplesmente espetacular e nos proporciona fenômenos fantásticos!

Cinturões de Radiação de Van Allen

O meio ambiente espacial no entorno de nossa casa Terra precisa de grande atenção, principalmente nas questões das explorações espaciais, com voos tripulados, tanto para turismo, quanto para as explorações mais audaciosas, que pretendem levar o homem novamente a Lua e/ou Marte.

Além das questões relacionadas à atividade solar, com a ejeção de partículas energéticas e de plasma, na forma de Ejeções de Massa Coronais, existem regiões da magnetosfera da Terra com partículas aprisionadas, majoritariamente prótons e elétrons, por causa do formato do campo magnético terrestre. Essas partículas formam duas cascas em torno da Terra, e são conhecidas como Cinturões de Radiação de Van Allen, cujo nome homenageia seu descobridor, James Van Allen. 

Em 30 de agosto de 2012, a NASA lançou dois satélites idênticos, cuja missão foi nomeada Van Allen Probes Mission, com o objetivo de fazer medidas das partículas aprisionadas para estudar a dinâmica e a interação dessas partículas com ondas que são geradas pela interação da magnetosfera da Terra com estruturas solares.

A Figura 1 mostra um esquema de parte da magnetosfera da Terra, mostrando os cinturões de radiação em cor vermelha e amarela, além da indicação das ondas e dos sistemas de correntes que existem nessa região. Coloquei essa figura com o propósito de mostras a complexidade desta região, e a riqueza de fenômenos que ocorrem em torno do nosso planeta (e fenômenos similares ocorrem no entorno dos demais planetas do sistema solar que possuem campo magnético).

FIGURA 1: Desenho esquemático da magnetosfera terrestre, com destaque dos cinturões de radiação de Van Allen, em vermelho, e as suas conexões com a ionosfera polar e os diversos tipos de ondas de plasma que interagem com as partículas aprisionadas nos cinturões. FONTE: Mauk, B.H., et al., Science Objectives and Rationale for the Radiation Belt Storm Probes Mission, Space Sci Rev (2013) 179:3–27 -  DOI 10.1007/s11214-012-9908-y.

A missão Van Allen Probes tem mudado o entendimento sobre os Cinturões de Radiação, pois através dessa missão, foram obtidos medida in situ, e muitas teorias que tinham sido formuladas de forma indireta, ou mesmo utilizando-se medidas feitas com foguetes, foram confirmadas e/ou rechaçadas, e hoje temos uma compreensão mais completa sobre a dinâmica desta região, e isso não quer dizer que o entendimento sobre os Cinturões de Radiação de Van Allen está completo, muito pelo contrário, pois quanto mais o entendimento e o estudo avança, mais questões e dúvidas aparecem. E é assim que o conhecimento avança, através da utilização do método científico.

Como funciona um eclipse?

Nessa semana houve o eclipse solar mais observado da história, pelo simples fato de que a sobra da lua passou sobre grandes cidades do México, Estados Unidos e Canadá.

No vídeo abaixo, vocês podem ver a sombra da lua sobre a superfície da Terra, cujas imagens foram feitas pelo instrumento EPIC, que está a bordo do satélite DSCOVR (https://epic.gsfc.nasa.gov/).

Mas como funciona um eclipse?

Existem dois tipos de eclipses. O que ocorreu no dia 08 de abril de 2024, é um eclipse Solar, que ocorre quando a Lua oculta a luz solar, causando uma sombra sobre a superfície terrestre. 

Todos nós sabemos que os tamanhos do Sol e da Lua são muito diferentes, o Sol é aproximadamente 400 vezes maior que a Lua, mas ao levar em conta a distância entre a Terra e o Sol e a Terra e a Lua, ou seja, o tamanho visto a partir da superfície da Terra, esses dois astros possuem o mesmo tamanho aparente, mas a orbita da Lua não é perfeitamente circular, e por esse motivo, existem dois tipos de eclipses solares: o eclipse total, como foi o do último dia 08, quando a Lua cobre completamente o disco solar, sendo possível observar a coroa solar (Figura 1 à esquerda); e o eclipse anelar, como foi o último eclipse visível no Norte e Nordeste do Brasil em 2023, onde a Lua não cobre completamente o disco solar, ficando um "anel" visível em torno da Lua (Figura 1 à direita). 

Figura 1: Imagens de um eclipse solar total (à esquerda) 

e um eclipse solar anelar (à direita)

Além do eclipse solar, existe o eclipse Lunar, que ocorre quando a Terra bloqueia a luz solar, causando uma sombra sobre a Lua. A Figura 2 mostra uma montagem com a sequência de imagens da Lua durante um eclipse lunar. A Lua não desaparece completamente na sombra da Terra, pois a atmosfera da Terra age como uma lente, deixando a lua na cor avermelhada.

Figura 2: Imagens sequenciais da Lua durante um eclipse. 

Fonte: https://mreclipse.com/Store/TLE00/TLE00sequence.html

A Figura 2 mostra um esquema, onde o Sol, a Lua e a Terra estão fora de escala, ilustrando os dois tipos de eclipses.

Como é possível observar o Sol?

O Sol é o principal agente causador de quase tudo que ocorre aqui na Terra! O vento só existe por causa de diferenças de pressão na atmosfera, causadas pelo aquecimento solar. As chuvas existem porque a água evapora quando é aquecida pela energia solar. As plantas respirar através do.processo de fotossíntese, que utiliza a energia solar e os nutrientes do solo e a água das chuvas para realizar a troca gasosa de gás carbônico para oxigênio.

Tudo o que vemos, só é possível pois a luz emitida pelo Sol é refletida pelos objetos e captada pelo nosso sensor natural, os olhos. Mas nunca podemos observar o Sol diretamente com nossos olhos, pois poderemos ficar cegos. Mas como observar o Sol então? 

Existem diversas formas de observar o Sol! A mais simples, que foi utilizada por Galileo Galilei, é utilizando uma luneta e projetando a imagem do Sol em um anteparo, que pode ser uma folha de papel, ou uma tela, como ilustrado na Figua 1.

Figura 1: Ilustração da montagem de uma luneta para projeção da imagem do Sol. 

Fonte: https://oal.ul.pt/wp-content/uploads/2015/02/metodo_projecaoSol.png

Com o aparato acima somente é possível observar o Sol na faixa de comprimentos de onda que nossos olhos são sensíveis, ou seja, na parte do espectro eletromagnético conhecida como faixa do visível (entre 370 nm , correspondente ao violeta, e 750 nm, correspondente ao vermelho). A Figura 2 mostra o espectro eletromagnético com um destaque para a faixa do visível. 

Figura 2: Espectro eletromagnético destacando a faixa do visível.

Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_vis%C3%ADvel#/media/Ficheiro:Electromagnetic_spectrum_-pt.svg

Os processos dinâmicos que ocorrem no Sol faz com que tanto ondas eletromagnéticas quanto partículas sejam emitidas para o espaço. Dependendo da região, altitude ou temperatura da camada no Sol, as ondas são geradas com um comprimento de onda especifico, e portanto, ao utilizarmos filtros é possível observarmos caracterírsticas específicas do Sol. Cada um dos comprimentos de onda observados pelo Solar Dynamics Observatory (SDO) da NASA foi escolhido para destacar um aspecto específico da superfície ou atmosfera do Sol, conforme ilustram as imagens na FIgura 3, que da superfície do Sol em diante, os comprimentos de onda observados pelo SDO, medidos em angstroms, são:

4500 Å: Mostrando a superfície do Sol ou fotosfera, sendo a melhor imagem para observar as manchas solares.

1700 Å: Mostra a superfície do Sol, bem como uma camada da atmosfera solar chamada cromosfera, que fica logo acima da fotosfera e é onde a temperatura começa a subir.

1600 Å: Mostra uma mistura entre a fotosfera superior e o que é chamado de região de transição, uma região entre a cromosfera e a camada superior da atmosfera solar chamada coroa. A região de transição é onde a temperatura aumenta rapidamente.

304 Å: Esta luz é emitida pela cromosfera e região de transição.

171 Å: Este comprimento de onda mostra a atmosfera do Sol, ou coroa, quando está quieta. Também mostra arcos magnéticos gigantes conhecidos como loops coronais.

193 Å: Mostra uma região ligeiramente mais quente da coroa e também o material muito mais quente de uma explosão solar.

211 Å e 335 Å: Estes comprimentos de onda mostram regiões mais quentes e magneticamente ativas na coroa solar.

94 Å: Destaca regiões da coroa durante uma explosão solar.

131 Å: Mostra o material mais quente em um flare.

Figura 3: Esta imagem mostra imagens do Advanced Imaging Assembly (AIA), que ajuda os cientistas a observar como o material solar se move em torno da atmosfera do Sol, e do Helioseismic and Magnetic Imager (HMI), que se concentra no movimento e nas propriedades magnéticas da superfície do Sol.

Fonte: https://svs.gsfc.nasa.gov/11071/

O Sol pode ser observado a partir da superfície terrestre, mas dependendo do estudo que preciso ser feito, a atmosfera terrestre atua como um filtro natural, não permitindo que as observações não sejam possíveis de se realizar na superfície terrestre. A Figura 4 mostra as "janelas eletromagnéticas" da atmosfera terrestre que, devido à sua composição, bloqueia completamente as ondas na faixa dos raios Gama, Raios-X, ultravioleta, infravermelho, e ondas longas de rádio, e permite e transmissão completa da faixa do visível e das ondas de rádio. Devido à essa característica da interação eletromagnética com a atmosfera Terrestre, as observações cujos comprimentos de ondas são bloqueados pela atmosfera são somente possíveis de serem feitas a partir do espaço, utilizando-se satélites.

Figura 4: Ilustração esquemática que mostra a transmitânci eletromagnética da atmosfera. Observe que a atmosfera é "transparente" para a luz visível, mas "opaca" para a radiação infravermelha. 

Fonte: Modificado de http://earthguide.ucsd.edu/eoc/special_topics/teach/sp_climate_change/p_atmospheric_window.html