O que acontece na Terra não permanece na Terra.
Usando observações da missão ICON da NASA, os cientistas apresentaram as primeiras medições diretas do dínamo da Terra há muito tempo teorizado na borda do espaço: um gerador elétrico movido pelo vento que atravessa o globo mais de 60 milhas acima de nossas cabeças. O dínamo se agita na ionosfera, a fronteira eletricamente carregada entre a Terra e o espaço. Ele é alimentado por ventos de maré na alta atmosfera, que são mais rápidos do que a maioria dos furacões e surgem da baixa atmosfera, criando um ambiente elétrico que pode afetar os satélites e a tecnologia na Terra.
O novo trabalho, publicado hoje na Nature Geoscience, melhora nossa compreensão da ionosfera, o que ajuda os cientistas a prever melhor o clima espacial e proteger nossa tecnologia de seus efeitos.
Lançado em 2019, o ICON, abreviação de Ionospheric Connection Explorer, é uma missão para desvendar como o clima da Terra interage com o clima no espaço. Os sinais de rádio e GPS percorrem a ionosfera, que abriga as auroras e a Estação Espacial Internacional. Bolsos vazios ou ondas densas de partículas eletricamente carregadas podem interromper esses sinais.
Cientistas que estudam a atmosfera e o clima espacial há muito incluíram o dínamo da Terra em seus modelos porque sabiam que ele tinha efeitos importantes. Mas com poucas informações, eles tiveram que fazer algumas suposições sobre como isso funciona. Os dados do ICON são a primeira observação concreta de ventos alimentando o dínamo, eventualmente influenciando o clima espacial, para alimentar esses modelos.
“O primeiro ano do ICON no espaço mostrou que prever esses ventos é a chave para melhorar nossa capacidade de prever o que acontece na ionosfera”, disse Thomas Immel, principal investigador do ICON na Universidade da Califórnia, Berkeley, e principal autor do novo estudo.
Gerador muito alto da Terra
A ionosfera é como um mar agitado de partículas eletricamente carregadas, criadas pelo Sol e misturadas com a alta atmosfera neutra. Imprensada entre a Terra e o espaço, a ionosfera responde às mudanças do Sol acima e da Terra abaixo. Quanta influência vem de cada lado é o que os pesquisadores estão interessados em descobrir. Estudando dados de um ano do ICON, os pesquisadores descobriram que muitas das mudanças observadas se originaram na baixa atmosfera.
Os geradores funcionam movendo repetidamente um condutor de eletricidade – como um fio de cobre – através de um campo magnético. Preenchida com gases eletricamente carregados chamados plasma, a ionosfera atua como um fio, ou melhor, um emaranhado de fios: a eletricidade flui direto. Como o dínamo no núcleo da Terra, o dínamo na atmosfera produz campos eletromagnéticos a partir do movimento.
Os ventos fortes na termosfera, uma camada da alta atmosfera conhecida por suas altas temperaturas, empurram o plasma que carrega a corrente na ionosfera através de linhas de campo magnético invisíveis que formam um arco ao redor da Terra como uma cebola. O vento tende a empurrar partículas pesadas com carga positiva mais do que elétrons pequenos com carga negativa. “Você consegue pontos positivos se movendo de maneira diferente dos pontos negativos”, disse o coautor Brian Harding, físico da Universidade da Califórnia, em Berkeley. “Isso é uma corrente elétrica.”
Na maioria dos geradores, esses componentes são fortemente limitados para que fiquem parados e atuem de maneira previsível. Mas a ionosfera é livre para se mover como quiser. “A corrente gera seu próprio campo magnético, que combate o campo magnético da Terra enquanto ele está passando”, disse Immel. “Então você acaba com um fio tentando fugir de você. É um gerador bagunçado.”
Seguir os caprichos da ionosfera é a chave para prever os impactos potenciais do clima espacial. Dependendo de como o vento sopra, o plasma na ionosfera dispara para o espaço ou despenca em direção à Terra. Esse comportamento resulta do cabo de guerra entre a ionosfera e os campos eletromagnéticos da Terra.
O dínamo, que fica na extremidade inferior da ionosfera, permaneceu um mistério por muito tempo porque é difícil de observar. Muito alto para balões científicos e muito baixo para satélites, ele escapou de muitas das ferramentas de que os pesquisadores dispõem para estudar o espaço próximo à Terra. O ICON está equipado de forma única para investigar esta parte da ionosfera de cima, aproveitando o brilho natural da atmosfera superior para detectar o movimento do plasma.
O ICON observa simultaneamente ventos poderosos e plasma migratório. “Esta foi a primeira vez que pudemos dizer o quanto o vento contribui para o comportamento da ionosfera, sem quaisquer suposições”, disse Astrid Maute, outra co-autora do estudo e cientista do ICON no Centro Nacional de Pesquisa Atmosférica em Boulder, Colorado.
Apenas na última década, disse Immel, os cientistas perceberam o quanto variam esses ventos ascendentes. “Não se esperava que a atmosfera superior mudasse rapidamente”, disse ele. “Mas acontece, dia a dia. Estamos descobrindo que tudo isso se deve a mudanças impulsionadas pela baixa atmosfera.”
Força do vento
Familiares são os ventos que roçam a superfície da Terra, de brisas suaves a rajadas de vento que sopram para um lado e depois para o outro.
Os ventos de alta altitude são uma fera diferente. De 60 a 95 milhas acima do solo, na termosfera inferior, os ventos podem soprar na mesma direção e na mesma velocidade – cerca de 250 mph – por algumas horas antes de repentinamente inverter a direção. (Em comparação, os ventos nos furacões de Categoria 5 mais fortes atingem 157 mph ou mais.)
Essas mudanças dramáticas são o resultado de ondas de ar, chamadas de marés, que nascem na superfície da Terra quando a baixa atmosfera se aquece durante o dia e depois esfria à noite. Eles surgem diariamente pelo céu, trazendo mudanças vindas de baixo.
Quanto mais a atmosfera se distancia da superfície, mais fina ela se torna e menos turbulência existe para interromper esses movimentos. Isso significa que pequenas marés geradas perto da superfície podem crescer muito mais quando atingem a alta atmosfera. “Mudanças nos ventos lá em cima são controladas principalmente pelo que acontece abaixo”, disse Harding.
As novas medições de vento do ICON ajudam os cientistas a entender esses padrões de marés que abrangem o globo e seus efeitos.
As marés ondulam pelo céu, ganhando força e crescendo antes de atingir a ionosfera. O dínamo elétrico zumbe em resposta.
Os cientistas analisaram o primeiro ano de dados do ICON e descobriram que ventos de alta altitude influenciam fortemente a ionosfera. “Traçamos o padrão de como a ionosfera se move, e havia uma estrutura semelhante a uma onda nítida”, disse Harding. As mudanças no vento, explicou ele, correspondiam diretamente à dança do plasma a 370 milhas acima da superfície da Terra.
“Metade do movimento do plasma pode ser atribuído aos ventos que observamos ali na mesma linha de campo magnético”, disse Immel. “Isso mostra que é uma observação importante a ser feita se você deseja prever o que o plasma está fazendo.”
O primeiro ano de observações do ICON coincidiu com o mínimo solar, a fase tranquila do ciclo de atividade do Sol de 11 anos. Durante esse tempo, o comportamento do Sol era um zumbido baixo e constante. “Sabemos que o Sol não está fazendo muito, mas vimos muita variabilidade de baixo, e então mudanças notáveis na ionosfera”, disse Immel. Isso disse aos pesquisadores que eles poderiam descartar o Sol como a principal influência.
À medida que o Sol atinge sua fase ativa, os cientistas serão capazes de estudar mudanças e interações mais complexas entre o espaço e a atmosfera da Terra.
Immel disse que está animado por ter esta confirmação das teorias da ionosfera de longa data. “Encontramos metade do que faz a ionosfera se comportar como se comporta bem ali nos dados”, disse ele. “Isso é o que queríamos saber.”
Ainda assim, Maute disse: “Isso deixa espaço para explorar o que mais está contribuindo para o comportamento da ionosfera.”
Publicado em 02/12/2021 11h13
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