Consequências do SPACE WEATHER no nosso planeta
A sociedade em que vivemos atualmente depende diariamente de vários pilares tecnológicos que podem ser afetados pelos efeitos da Meteorologia Espacial.
O Sol, para além da luz que nos dá e que permite a existência de vida no nosso planeta, pode também ser o causador de problemas graves. Na superfície solar, a fotosfera, existe um campo magnético muito dinâmico que dá origem por vezes à emissão para o espaço de enormes quantidades de radiação e plasma solar, dando início a uma tempestade solar.
As tempestades magnéticas originadas pelo nosso Sol, enviam para o espaço enormes quantidades de radiação e partículas carregadas que, quando interagem com o campo magnético terrestre, condicionam as propriedades do espaço em torno do nosso planeta.
Estas tempestades influenciam as atividades do dia-a-dia uma vez que podem provocar avarias em satélites, interromper as comunicações globais, sobrecarregar a rede de distribuição de energia elétrica e mesmo causar grandes apagões.
Já imaginaste como seria a tua vida sem electricidade e sem telecomunicações durante vários dias ou até semanas?
Exemplo de um apagão numa vasta região visto do espaço.
Algo visualmente similar occoreu em 13 de Março de 1989 no Quebec, Canadá.
No seguimento de uma tempestade solar, o campo magnético da Terra alterou-se súbita e dramaticamente. Em menos de 1 minuto, o Québec estava a braços com um extenso apagão da rede eléctrica que durou mais de 9 horas (e alguns dias em certas zonas).
Fonte
No entanto, os efeitos destas tempestades também podem proporcionar espetáculos mágicos e extraordinários como as Auroras, que são originadas pela interação do plasma solar com a atmosfera terrestre.
Os Açores devido à sua localização geo-estratégica e à recente aposta em investigação e desenvolvimento na área espacial, poderão ter um papel central na indústria do Space Weather, integrando e dinamizando redes internacionais de monitorização.
Consequências do SPACE WEATHER para o nosso planeta
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Rede elétricaOscilações bruscas do campo magnético terrestre podem induzir correntes elétricas ao nível do solo provocando avarias nas linhas de alta tensão. Estas avarias traduzem-se em falhas massivas na rede elétrica com todos os problemas que daí advêm. |
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Operações de satéliteO plasma solar da CME e a radiação-x interferem com os componentes electrónicos, causando por exemplo saltos de bits em memória. Isto provoca erros na execução dos programas que controlam a trajetória do satélite e protocolos de comunicação. |
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ComunicaçõesAs comunicações em todas as frequências podem ser afetadas pelo Space Weather. As radiocomunicações de alta frequência (HF) são mais rotineiramente afetadas porque essa faixa da radio-frequência depende da reflexão da ionosfera para transportar sinais a grandes distâncias. |
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Navegação aéreaTempestades espaciais podem causar problemas nas comunicações, riscos de radiação para a tripulação, informações de geo-navegação não confiáveis e problemas com sistemas eletrónicos de voo críticos. |
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Exploração Espacial HumanaPartículas energéticas solares (SEP) representam um perigo para a saúde dos astronautas em missões espaciais, bem como uma ameaça a alguns sistemas eletrónicos em órbita. Durante as missões espaciais, os astronautas ficam mais expostos a picos radiação. |
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Geo-navegaçãoA degradação do sinal GPS da constelação de satélites de navegação tem grande impacto na navegação marítima e terrestre que dependem fortemente destas tecnolgias. |
Origem do magnetismo solar
O ser Humano sempre se sentiu fascinado pelo funcionamento do seu entorno e o céu em particular, sempre foi alvo de grande admiração. Provavelmente começou por ser um interesse inspirado por cultos e misticismos associados à esfera celeste ou a eclipses. O caráter inexplicável de todas estas subtilezas celestes, nos primórdios da Humanidade, metamorfoseiam-se numa crença, uma fé que muitas vezes elevou os corpos celestes ao estatuto de deuses. Possivelmente, já na antiguidade, o ser Humano tinha consciência de que o Sol tem uma enorme influência sobre a Terra e sobre a vida que esta alberga. Consequentemente o Sol tornou-se num símbolo de poder supremo venerado por diversas civilizações: os Egípcios adoravam o deus sol Ra, o qual acreditavam ter sido o seu criador; os Hindus o deus sol Surya; os Gregos, Apollo; os Chineses os dez sóis; os Japoneses a deusa sol Amaterasu e os Incas o deus sol Inti... Hoje em dia as crenças ancestrais cederam o seu lugar a um conhecimento baseado em factos científicos, de que de facto, o Sol e a sua actividade suportam e influenciam a vida na Terra e regulam o nosso entorno espacial. Por um lado, o vasto leque de fenômenos que o Sol apresenta alimenta a curiosidade humana.
Por outro, dada a sua proximidade física, o Sol apresenta-se-nos como um laboratório de Física no qual podemos testar as nossas ideias e teorias em condições extremas, tornando-se assim uma mais valia para a comunidade científica. Além de servir como laboratório para Física de Plasmas, Magneto-convecção e Física de Partículas, só para citar algumas áreas, o Sol é também um laboratório para a Cosmologia. Por exemplo, hoje em dia já se utilizam modelos de evolução solar para estudar a interação e evolução de estrelas na presença de matéria escura. Estes estudos servem para descartar alguns candidatos a matéria escura e ajudar a perceber melhor esta estranha forma de matéria. Além dos exemplos anteriores, nos dias que correm, devido às alterações climáticas e ao advento de uma época de exploração espacial, o Sol e a sua variabilidade tomam um papel de destaque no contexto científico internacional. Devido a isto, tanto a ESA como a NASA desenvolveram programas de investigação específicos em Física Solar.
O que é a Variabilidade Solar?
O Sol é por definição uma estrela variável. Durante toda a sua juventude, até chegar ao estado "estável" em que se encontra agora, a nossa estrela passou por muitas mudanças. Mesmo assim, hoje em dia ela ainda varia em diversas escalas de tempo, desde fracções de segundo até séculos. A maneira como a variabilidade solar se manifesta, as suas fontes e propriedades estatísticas dependem da escala temporal considerada. Na escala dos segundos, minutos e horas temos as oscilações solares cujo exemplo mais conhecido é o espectro de oscilações não-radiais com um período de aproximadamente 5 minutos. Estas e outras oscilações são estudadas pela Heliosismologia que, no início dos anos 90, abriu uma nova janela para estudar o interior do Sol. Graças a esta ciência, o conhecimento sobre a estrutura interna da nossa estrela, foi e continua a ser incrementado. Para escalas de tempo superiores, podemos observar a variação do fluxo de energia emitida (irradiância), manchas escuras que aparecem e desaparecem da superfície solar, emissões de plasma, protuberâncias, etc. As secções que se seguem têm como objectivo introduzir o leitor a este “zoo” de manifestações solares.
Manchas solares e Irradiância
Existem relatos sobre a observação de manchas na superfície no Sol que datam do ano 800 A.C. na China. Nas civilizações europeias também existem registos da observação de manchas solares a partir do Sec. X. No entanto, a observação sistemática deste fenómeno é iniciada a partir de 1610 por Galileu Galilei pouco depois de ter criado o telescópio. Em meados do século XIX, Schwabe (1844), reparou que o número de manchas presentes na superfície solar aumentava e diminuía com um período de aproximadamente 11 anos. Pouco depois, Carrington (1858) apercebeu-se de que estas manchas apareciam a latitudes cada vez mais baixas à medida que o ciclo progredia, i.e., à medida que o tempo passava, as manchas apareciam mais próximas do equador solar. Na altura não havia quaisquer evidências de que estas manchas estariam relacionadas com campos magnéticos e foi só quase meio século depois, em 1908 que Hale, através da observação do efeito de Zeeman na medição do espectro de manchas solares, se apercebeu da sua origem magnética. O espanto não foi só devido a ser a primeira vez que se media um campo magnético fora da Terra mas também ao facto de que o campo magnético presente nas manchas solares, ~3000 G (Gauss) ser substancialmente superior ao campo magnético terrestre (~0.5 G). Após esta descoberta de Hale, descobriu-se ainda que as manchas solares tendem a aparecer aos pares (de diferentes polaridades e opostas nos dois hemisférios), com uma determinada inclinação em relação ao equador (lei de Joy). Anos depois, com o desenvolvimento do magnetógrafo por Babcock e Babcock (1955) é que nós iríamos aperceber da intrincada rede magnética que o Sol apresenta na sua superfície. Além do forte campo que se pode medir nas manchas solares, existe também um campo mais fraco, difuso da ordem dos 10 G que se propaga em direção aos pólos ao longo do ciclo. Este campo difuso inverte a sua polaridade a cada 11 anos fazendo assim com que na realidade o ciclo magnético se complete em 22 anos aproximadamente.
Erupções Solares, Ejeções de Massa Coronal e o Vento Solar
Para além das manchas solares e fáculas existem outros fenômenos interessantes aos quais o leitor deve ser introduzido. As erupções solares (flares) e as ejeções de massa coronal (CMEs - Coronal Mass Ejections) são os fenómenos de maior importância durante o ciclo solar pois condicionam o nosso entorno espacial e têm um impacto directo no nosso dia a dia. A origem das erupções solares é ainda um tema em aberto mas neste momento acredita-se que estejam relacionadas com fenómenos de reconexão de linhas de campo magnético na fotosfera. Muito cruamente podemos imaginar que as linhas de campo magnético que produzem os arcos que vemos na atmosphera solar, se comportam como elásticos. A energia acumulada nessas linhas de campo é libertada violentamente quando mudam de topologia (como quando um elástico ser parte). Essa libertação de energia é o que chamamos erupções solares. Durante estas erupções a energia libertada dá origem a enormes quantidades de radiação (raios-x, Ha e EUV) e é também usada para acelerar partículas (SEPs - Solar Energetical Particles). Muitas vezes estas explosões magnéticas dão também origem a violentas ejeções de plasma da corona solar, as chamadas CMEs que podem viajar pelo espaço a centenas de km/h e eventualmente atingir o nosso planeta.
As enormes quantidades de radiação emitidas (principalmente no raio-x) que chegam até ao espaço que circunda a Terra podem ter efeitos indesejáveis em astronautas que estejam a fazer actividades no exterior das nave assim como nas camadas superiores da atmosfera, alterando a sua química. Também de origem magnética, podemos pensar nas CMEs como enormes "bolhas" de gás/plasma da corona solar que são libertadas para o espaço. Estes fenómenos que são muitas vezes associados a erupções solares na realidade também se dão isoladamente. A frequência com que ocorrem, assim como a dos flares varia ao longo do ciclo solar, aumentando de intensidade em fase com o ciclo. Estas bolhas de plasma, que se propagam a velocidades que oscilam entre os 20 km s-1e os 2700 km s-1, transportam muitas vezes consigo campos magnéticos fortes e nos casos em que são emitidas na direcção da Terra, interagem com a nossa magnetosfera. Os iões (particulas) que constituem a CME são capturados pelo campo magnético terrestre e redirecionados para os polos dando origem a auroras boreais (astrais). Os campos magnéticos associados às CME podem também criar problemas em satélites e redes de telecomunicações e distribuição eléctrica devido à criação de correntes eléctricas nas camadas superiores da atmosfera. Para fechar esta secção de fenómenos que caracterizam a variabilidade solar, temos o vento solar. Aquilo a que chamamos vento solar é nada mais nada menos do que o fluxo de partículas carregadas que são ejectadas da atmosfera solar (mais precisamente da Corona e da Cromosfera).
Fig.1 - Representação da interacção do vento solar com a magnetosfera terrestre. (Cortesia - University of Waikato).
Embora o fluxo de partículas seja maioritariamente composto por electrões e protões com energias na ordem de 1 keV, podem encontrar-se também rastos de iões de Carbono, Azoto, Oxigénio e outros. A cada segundo que passa são ejectadas cerca de 1 milhão de toneladas de partículas a velocidades que oscilam entre os 200 e os 850 km s-1. Uma vez que o vento solar é um basicamente um plasma, irá ter associado um campo magnético. Na realidade, o campo magnético na superfície do Sol condiciona o vento solar fazendo com que este "sopre" mais depressa ou mais devagar. Quando se dá um flare, por exemplo, os efeitos desta explosão vão-se propagar pelo vento solar podendo dar origem a tempestades magnéticas. Estas são caracterizadas por fortes campos magnéticos e elevadas densidades de partículas e radiação. São estas tempestades que ao interagirem com a magnetosfera terrestre podem causar avarias em redes de telecomunicações e distribuição eléctrica. Foi uma destas tempestades magnéticas que em Março de 1989 deixou a província do Quebeck no Canadá sem electricidade durante largas horas. Mais de 6 milhões de pessoas foram afectadas e os custos relativos a este incidente ascenderam aos vários milhões de euros. Como vimos nesta secção, a maior parte dos fenómenos associados à variabilidade solar são de origem magnética. Este facto justifica a próxima secção onde iremos indagar um pouco mais sobre a origem do campo magnético solar e alguns dos mecanismos subjacentes.