Ionosfera Terrestre

Nós aprendemos no colégio que a atmosfera terrestre é dividida em camadas, sendo essas a Troposfera, Estratosfera, Mesosfera, Termosfera e Exosfera, como podemos ver na Figura 1. Essa classificação é feita segundo a variação da temperatura com a altitude. Na troposfera a temperatura da atmosfera diminui até um ponto onde há uma inversão, tropopausa, e a temperatura aumenta, separando a troposfera da estratosfera. Na estratosfera a temperatura aumenta até a estratopausa, onde a temperatura deixa de aumentar e passa a diminuir novamente na mesosfera, até a mesopausa, onde mais uma vez a temperatura deixa de diminuir e passa a aumentar na termosfera. A exosfera fica acima de 1000 km de altitude, onde é definido que não há mais atmosfera.

Figura 1: Camadas da Atmosfera Terrestre segundo a variação de temperatura.

Uma outra classificação da atmosfera terrestre é feita quando utiliza-se como referência a quantidade de íons presentes em relação a altitude. Essa região da atmosfera rica em íons é conhecida como Ionosfera. Apesar de não ser tão conhecida como a classificação descrita anteriormente, a ionosfera é muito importante, pois devido a separação das cargas elétricas dos átomos da atmosfera pela interação da radiação solar, cria-se correntes elétricas que tanto auxiliam como guias de ondas, permitindo que sinais de rádio sejam transmitidos a longas distâncias, como ilustrado pela Figura 2, quanto perturbam os sinais de satélites de telecomunicações, GPS, entre outros, causando espalhamento no sinal ou mesmo sua perda momentânea.

Figura 2: Ionosfera como guia de onda de rádio. Fonte: http://apollo.lsc.vsc.edu/classes/met130/notes/chapter1/ion2.html.

Na Figura 3 podemos ver dois perfis da densidade de plasma em relação a altitude. O perfil azul mostra a densidade de íons durante o dia, onde podemos identificar três camadas, D, E e F, que é subdividida em F1 e F2. O perfil vermelho mostra a densidade eletrônica a noite, onde somente permanece a camada F. Isso ocorre porque o que ioniza a atmosfera é a radiação solar, a noite, como não há radiação solar, os íons das camadas D e E se recombinam, tornando essas camadas neutras. Já na camada F, a quantidade de íons é tanta que durante a noite não há tempo para que todos os íons se recombinem, restando uma boa quantidade de átomos ionizados. Mais detalhes das características de cada uma das camadas da ionosfera serão tema de um novo post.

Figura 3: Perfis da densidade eletrônica na atmosfera terrestre em função da altitude durante o dia (curva azul) e a noite (curva vermelha). Fonte: www.astrosurf.com/luxorion/Radio/ionosphere-plasma-density.

A Ionosfera é uma região da atmosfera fascinante, que necessita ser entendida para que os efeitos do Clima Espacial possam ser minimizados. Essa camada da atmosfera sofre influência direta do Sol e nós somos afetados uma vez que os sinais das ondas eletromagnéticas dos sistemas de telecomunicações, segurança, GPS, atravessam essa camada e qualquer distúrbio presente nela pode afetar esses sistemas, fazendo com que tenhamos absorção de ondas HF, interferências em sinais de rádio e TV, cintilações nos sinais de satélites causando atrasos ou mesmo a perda do sinal de GPS, o que pode causar problemas graves, uma vez que muitos aviões são guiados por GPS. Esses efeitos ionosféricos estão esquematicamente ilustrados na Figura 4.

Figura 4: Ilustração esquemática dos efeitos ionosféricos em nossa vida cotidiana. Fonte: http://www.astrosurf.com/luxorion/Radio/ionospheric-effects.

Anomalia Magnética da América do Sul

Como todos nós sabemos, a Terra possui um campo magnético, e esse campo é utilizado há muito tempo pelos navegadores, devido à sua capacidade de orientar a agulha de bússolas, mostrando onde fica o Norte e o Sul. Para esse fim, as variações do campo magnético terrestre não tem muita importância, mas temos que estar sempre atentos, pois outra finalidade do campo geomagnético é nos proteger de partículas energéticas de origem solar. 

Existem regiões da Terra onde as partículas solares possuem caminho livre, ou seja, elas precipitam na atmosfera terrestre causando as auroras, um dos mais bonitos fenômenos físicos que existem, como pode ser visto na Figura 1 a fotografia de uma aurora. Esse caminho livre das partículas ocorre, pois nas regiões polares o campo magnético terrestre é vertical, e como as partículas eletricamente carregadas orbitam as linhas do campo magnético, elas precipitam diretamente na a atmosfera terrestre.

Figura 1: Fotografia de uma aurora. FONTE: http://atmosphericphenomena.com/gallery-aurora-borealis/

Na região equatorial, o campo magnético terrestre é basicamente horizontal, possuindo inclinação zero em seu equador, chamado Equador Magnético Terrestre. Esse componente horizontal do campo magnético dificulta a entrada de partículas energéticas, impedindo que elas atinjam a atmosfera terrestre de forma significante para causar um fenômeno parecido com as auroras.

O campo magnético terrestre não é estático e muito menos simétrico, e essa assimetria faz com que exista uma "anomalia", exatamente na região da América do Sul, tomando grande parte do território Brasileiro. Essa anomalia é conhecida como Anomalia Magnética da América do Sul (AMAS). A AMAS é caracterizada por ser a região da magnetosfera terrestre com menor intensidade total, como podemos ver na animação da Figura 2, que mostra a evolução da anomalia ao longo dos anos.

Figura 2:Animação da evolução temporal da AMAS desde 1600 até 2000.

No sentido de conhecer melhor o comportamento do campo magnético terrestre, com ênfase especial à região da AMAS, foi lançado em 19 de junho de 2014 o primeiro satélite universitário brasileiro, desenvolvido através da cooperação entre o Centro Regional Sul de Pesquisas Espaciais - CRS/INPE-MCTI e a Universidade Federal de Santa Maria - UFSM. Esse satélite possui como uma de suas cargas úteis, um magnetômetro, cuja finalidade é estudar o campo magnético terrestre. Mais informações sobre o NanosatC-BR1 podem ser encontradas no link http://www.inpe.br/crs/nanosat/.

Acredita-se que as partículas energéticas que estão aprisionadas no campo geomagnético chegam mais próximo da atmosfera que nas outras regiões que possuem grande componente horizontal do campo. Isso implica que os satélites, quando passam pela AMAS, podem sofrer algum tipo de influência dessas partículas, podendo até ser desativados devido a alguma radiação ionizante causada por essas partículas. A Figura 3 mostra os locais onde ocorreram upsets de memória sofridos pelos circuitos do satélite UOSAT-2, e na região da AMAS é bastante evidente a ocorrência desses eventos de falhas.

Figura 3: Mapa de upset de memória do satélite UOSAT-2. FONTE: NOAA/NGDC Boulder.

Estudos mais aprofundados devem ser realizados para entendermos quais são as reais consequências da precipitação de partículas na AMAS, se essas partículas podem afetar de forma significativa a vida dos tripulantes de aviões que voam frequentemente nessa região, e o NanosatC-BR1, é uma ótima ferramenta para estudarmos o campo geomagnético a 600km de altitude. Para complementar as informações acerca do campo geomagnético terrestre, a rede de magnetômetros do EMBRACE/INPE conta hoje com 9 magnetômetros instalados na América do Sul, como pode ser visto no link http://www2.inpe.br/climaespacial/MainViewer/faces/mag_deltah.xhtml.