Os cientistas estão expandindo os esforços para sondar explosões do sol e entender seus caminhos ocasionalmente ligados à Terra
Desde dezembro de 2019, o sol está se movendo para uma parte mais movimentada de seu ciclo, quando pulsos cada vez mais intensos de energia podem disparar em todas as direções. Algumas dessas grandes explosões de partículas carregadas dirigem-se diretamente para a Terra. Sem uma boa maneira de antecipar essas tempestades solares, ficamos vulneráveis. Um grande poderia destruir uma faixa de nossos sistemas de comunicação e redes de energia antes mesmo de sabermos o que nos atingiu.
Um quase acidente recente ocorreu no verão de 2012. Uma tempestade solar gigante lançou uma bolha cheia de radiação na direção da Terra a mais de 9 milhões de quilômetros por hora. A explosão potencialmente enfraquecedora atravessou rapidamente os quase 150 milhões de quilômetros em direção ao nosso planeta e teria atingido a Terra se tivesse ocorrido apenas uma semana antes. Os cientistas souberam disso depois do fato, apenas porque atingiu um satélite da NASA projetado para observar esse tipo de clima espacial.
Essa tempestade de 2012 foi a mais intensa que os pesquisadores mediram desde 1859. Quando uma forte tempestade atingiu o hemisfério norte em setembro daquele ano, as pessoas não tiveram a mesma sorte. Muitos sistemas telegráficos em toda a Europa e América do Norte falharam, e as linhas eletrificadas chocaram alguns operadores de telégrafo. Ficou conhecido como o Evento Carrington, em homenagem ao astrônomo britânico Richard Carrington, que testemunhou manchas de luz intensamente brilhantes no céu e registrou o que viu.
O mundo foi muito além dos sistemas telegráficos. Um impacto no nível de Carrington hoje derrubaria satélites, interrompendo o GPS, redes de telefonia móvel e conexões de internet. Sistemas bancários, aviação, trens e sinais de trânsito também seriam afetados. Redes elétricas danificadas levariam meses ou mais para consertar.
Especialmente agora, durante uma pandemia em que muitos de nós contamos com o Zoom e outros programas de videocomunicações para trabalhar e frequentar a escola, é difícil imaginar a turbulência generalizada que tal evento criaria. Em um cenário de pior caso concebido antes da pandemia, os pesquisadores estimaram que o pedágio econômico nos Estados Unidos poderia chegar a trilhões de dólares, de acordo com uma revisão de 2017 na Análise de Risco.
Para evitar tal destruição, em outubro o então presidente Donald Trump assinou um projeto de lei que apoiará pesquisas para produzir melhores previsões do clima espacial e avaliar possíveis impactos, e permitir uma melhor coordenação entre agências como a NASA e a Administração Oceânica e Atmosférica Nacional.
“Nós entendemos um pouco sobre como essas tempestades solares se formam, mas não podemos predizê-las bem”, diz o cientista atmosférico e espacial Aaron Ridley, da Universidade de Michigan em Ann Arbor. Assim como os cientistas sabem como mapear o caminho provável de tornados e furacões, Ridley espera ver os mesmos recursos para prever o clima espacial.
O cenário ideal é receber avisos bem antes de uma tempestade desabilitar os satélites ou fazer terra firme e, possivelmente, antes mesmo que o sol envie partículas carregadas em nossa direção. Com um aviso prévio, os serviços públicos e os governos podem desligar as redes e mover os satélites para longe do perigo.
Ridley faz parte de um U.S. colaboração criando simulações de tempestades solares para ajudar os cientistas a prever com rapidez e precisão para onde as tempestades irão, quão intensas serão e quando podem afetar satélites importantes e redes de energia na Terra. Considerando a devastação que uma tempestade solar extrema pode causar, muitos cientistas e governos desejam desenvolver melhores previsões o mais rápido possível.
Fluxos e refluxos
Quando os cientistas falam sobre o clima espacial, eles geralmente estão se referindo a duas coisas: o vento solar, um fluxo constante de partículas carregadas fluindo para longe do sol e ejeções de massa coronal, grandes explosões de partículas carregadas, ou plasma, expelido do camadas externas do sol (SN Online: 3/7/19). Alguns outros fenômenos, como partículas de alta energia chamadas de raios cósmicos, também contam como clima espacial, mas não causam muita preocupação.
Ejeções de massa coronal, ou CMEs, o tipo mais ameaçador de tempestades solares, nem sempre são prejudiciais – afinal, elas geram auroras deslumbrantes perto dos pólos. Mas, considerando os riscos de uma tempestade desligar os principais satélites militares e comerciais ou prejudicar a saúde dos astronautas em órbita, é compreensível que cientistas e governos estejam preocupados.
Os astrônomos têm olhado para nosso companheiro solar por séculos. No século 17, Galileu foi um dos primeiros a espiar manchas solares, áreas ligeiramente mais frias na superfície do Sol com fortes campos magnéticos que muitas vezes são precursores de atividades solares mais intensas. Seus sucessores mais tarde notaram que as manchas solares freqüentemente produzem explosões de radiação chamadas explosões solares. O complexo campo magnético mutável do sol também às vezes faz com que filamentos ou loops de plasma com milhares de quilômetros de extensão irrompam das camadas externas do sol. Esses tipos de erupções solares podem gerar CMEs.
“As linhas do campo magnético do sol podem ficar complicadas e torcidas como caramelo em certas regiões”, diz Mary Hudson, uma física do Dartmouth College. Essas linhas podem quebrar como um elástico e lançar um grande pedaço de corona no espaço interplanetário.
Foi o astrônomo alemão do século 19, Samuel Heinrich Schwabe, quem percebeu que essa atividade solar diminui e flui durante ciclos de 11 anos. Isso acontece porque o campo magnético do sol muda completamente a cada 11 anos. O ciclo solar mais recente terminou em dezembro de 2019, e estamos emergindo do nadir da atividade solar enquanto nos dirigimos para o máximo do ciclo 25 (os astrônomos começaram a numerar os ciclos solares no século 19). Tempestades solares, principalmente os perigosos CMEs, estão se tornando mais frequentes e intensos, e devem atingir seu pico entre 2024 e 2026.
Para cima e para baixo
O número de manchas solares e outras atividades solares que geram tempestades solares aumentam e diminuem em um ciclo de 11 anos. O ciclo solar 25 começou em dezembro de 2019 e deve atingir o pico em 2025.
Ciclos de atividade das manchas solares de 1749 a 2020
Tempestades solares se desenvolvem a partir do complexo campo magnético do sol. O sol gira mais rápido em seu equador do que em seus pólos e, uma vez que não é uma esfera sólida, seu campo magnético constantemente se agita e gira. Ao mesmo tempo, o calor do interior do Sol sobe para a superfície, com partículas carregadas trazendo novos campos magnéticos com elas. Os CMEs mais intensos geralmente vêm do período mais vigoroso de um ciclo solar particularmente ativo, mas há muita variação. O CME de 1859 se originou de um ciclo solar bastante modesto, destaca Hudson.
Um CME possui vários componentes. Se o CME está em uma trajetória em direção à Terra, a primeira coisa a chegar – apenas oito minutos depois de deixar o sol – é a radiação eletromagnética, que se move à velocidade da luz. Os CMEs geralmente produzem uma onda de choque que acelera os elétrons a velocidades extremamente rápidas, e essas ondas chegam dentro de 20 minutos da luz. Essas partículas energéticas podem danificar os eletrônicos ou células solares de satélites em órbitas altas. Essas partículas também podem prejudicar qualquer astronauta fora do campo magnético protetor da Terra, incluindo qualquer um na lua. Uma tripulação a bordo da Estação Espacial Internacional, dentro do campo magnético da Terra, no entanto, provavelmente estaria segura.
Mas a maior ameaça de um CME – sua nuvem gigante de plasma, que pode ter milhões de quilômetros de largura – normalmente leva entre um e três dias para chegar ao nosso planeta, dependendo da velocidade com que o sol impulsionou a explosão de partículas em nossa direção. O campo magnético da Terra, nossa primeira defesa contra o clima espacial e a radiação espacial, pode nos proteger de apenas um limite. Satélites e observações baseadas no solo mostraram que as partículas carregadas de um CME interagem com e distorcem o campo magnético. Essas interações podem ter dois efeitos importantes: produzir correntes elétricas mais intensas na alta atmosfera e deslocar essas correntes mais fortes dos pólos para lugares com mais pessoas e mais infraestrutura, diz Ridley. Com uma tempestade extremamente poderosa, são essas correntes potencialmente massivas que colocam os satélites e as redes elétricas em risco.
Qualquer pessoa que dependa de sinais de rádio de longa distância ou telecomunicações pode ter que ficar sem eles até que a tempestade passe e os satélites danificados sejam consertados ou substituídos. Uma forte tempestade pode perturbar os aviões em vôo também, pois os pilotos perdem contato com os controladores de tráfego aéreo. Embora esses efeitos sejam temporários, geralmente durando até um dia, os impactos nas redes elétricas podem ser piores.
Um CME massivo poderia, repentina e inesperadamente, conduzir correntes de kiloamps em vez dos amperes normais através dos fios da rede elétrica na Terra, sobrecarregando os transformadores e fazendo-os derreter ou explodir. Toda a província de Quebec, com quase 7 milhões de habitantes, sofreu um apagão de energia que durou mais de nove horas em 13 de março de 1989, graças a um CME durante um ciclo solar particularmente ativo. O CME afetou a Nova Inglaterra e Nova York também. Se os operadores da rede elétrica soubessem o que estava por vir, eles poderiam ter reduzido o fluxo de energia nas linhas e interconexões na rede elétrica e instalado geradores de backup quando necessário.
Aviso prévio
Mas os planejadores precisam de mais informações do que recebem hoje. Talvez na próxima década, a modelagem computacional aprimorada e os novos recursos de monitoramento do clima espacial permitirão aos cientistas prever tempestades solares e seus prováveis impactos com mais precisão e mais cedo, diz o físico Thomas Berger, diretor executivo do Centro de Tecnologia, Pesquisa e Educação do Clima Espacial no Universidade do Colorado em Boulder.
Os meteorologistas espaciais classificam as tempestades solares, com base em distúrbios no campo magnético da Terra, em uma escala de cinco níveis, como furacões. Mas, ao contrário dessas tempestades tropicais, a provável chegada de uma tempestade solar não é conhecida com precisão usando os satélites disponíveis. Para tempestades se formando na Terra, o Serviço Meteorológico Nacional tem acesso a dados constantemente atualizados. Mas os dados de clima espacial são muito esparsos para serem úteis, com poucas tempestades para monitorar e fornecer dados.
Dois EUA os satélites que monitoram o clima espacial são a espaçonave ACE da NASA, que data da década de 1990 e deve continuar a coletar dados por mais alguns anos, e o DSCOVR da NOAA, que foi projetado em um momento semelhante, mas não lançado até 2015. Ambos orbitam cerca de 1,5 milhão de quilômetros acima da Terra – o que parece distante, mas mal fica a montante do nosso planeta, da perspectiva de uma tempestade solar. Os dois satélites podem detectar e medir uma tempestade solar apenas quando seu impacto for iminente: 15 a 45 minutos de distância. Isso é mais semelhante a “previsão do tempo” do que previsão, oferecendo pouco mais do que um aviso para se preparar para o impacto.
“Esse é um dos grandes desafios do clima espacial: prever o campo magnético de um CME muito antes de chegar [aqui] para que você possa se preparar para a tempestade que se aproxima”, diz Berger. Mas satélites antigos como o SOHO, um satélite lançado pela NASA e pela Agência Espacial Europeia em 1995, além do ACE e do DSCOVR monitoram apenas uma gama limitada de direções que não incluem os pólos solares, deixando uma grande lacuna nas observações, diz ele.
Olhos no sol
Três satélites principais têm monitorado o clima espacial, começando em 1995, mas só podem sentir um impacto iminente.
SOHO
Lançado em 1995
ÁS
Lançado em 1997
DSCOVR
Lançado em 2015
Idealmente, os cientistas querem ser capazes de prever uma tempestade solar antes que ela seja lançada no espaço. Isso daria tempo de espera suficiente – mais de um dia – para os operadores da rede elétrica protegerem os transformadores de picos de energia, e os satélites e astronautas poderiam sair do caminho de perigo, se possível.
Isso requer a coleta de mais dados, particularmente das camadas externas do sol, além de uma melhor estimativa de quando um CME irá estourar e se deve chegar com um estrondo ou um gemido. Para auxiliar essa pesquisa, os cientistas da NOAA equiparão seu próximo satélite meteorológico espacial, com lançamento previsto para o início de 2025, com um coronógrafo, um instrumento usado para estudar a parte mais externa da atmosfera do sol, a corona, enquanto bloqueia a maior parte da luz solar, que de outra forma cegaria sua visão.
Uma segunda grande melhoria poderia ocorrer apenas dois anos depois, em 2027, com o lançamento da missão Lagrange da ESA. Será a primeira missão do clima espacial a lançar uma de suas espaçonaves a um ponto único: 60 graus atrás da Terra em sua órbita ao redor do sol. Uma vez posicionada, a espaçonave será capaz de ver a superfície do Sol de lado antes que a face do Sol gire e aponte na direção da Terra, disse Juha-Pekka Luntama, chefe do Escritório do Clima Espacial da ESA.
Dessa forma, Lagrange será capaz de monitorar uma área ativa e flamejante do sol dias antes de outras espaçonaves, obtendo uma correção na velocidade e direção de uma nova tempestade solar mais cedo para permitir que os cientistas façam uma previsão mais precisa. Com esses novos satélites, haverá mais espaçonaves observando o clima espacial de diferentes pontos, dando aos cientistas mais dados para fazer previsões.
WMAP SCIENCE TEAM / NASA
WMAP SCIENCE TEAM / NASA
Enquanto isso, Berger, Ridley e colegas estão focados no desenvolvimento de melhores simulações de computador e modelos do comportamento da coroa solar e as ramificações dos CMEs na Terra. Ridley e sua equipe estão criando uma nova plataforma de software que permite aos pesquisadores de qualquer lugar atualizar rapidamente os modelos da atmosfera superior afetada pelo clima espacial. O grupo de Ridley também está modelando como um CME sacode o campo magnético do nosso planeta e libera partículas carregadas em direção à terra abaixo.
Berger também colabora com outros pesquisadores na modelagem e simulação da alta atmosfera da Terra para prever melhor como as tempestades solares afetam sua densidade. Quando uma tempestade atinge, ela comprime o campo magnético, o que pode alterar a densidade das camadas externas da atmosfera da Terra e afetar a quantidade de satélites de arrasto que têm de lutar para permanecer em órbita.
Segurança por satélite
Houve alguns casos de satélites danificados por tempestades solares. O satélite japonês ADEOS-II parou de funcionar em 2003, após um período de intensas explosões de energia do sol. E o satélite Solar Maximum Mission parecia ter sido arrastado para uma órbita inferior – e eventualmente queimado na atmosfera – após a mesma tempestade solar de 1989 que deixou Quebec no escuro.
Os satélites afetados por tempestades solares podem correr o risco de colidir uns com os outros ou também com detritos espaciais. Com mega-constelações de satélites como o SpaceX sendo lançadas às centenas, e com dezenas de milhares de satélites e fragmentos de destroços espaciais já em órbitas lotadas, os riscos são reais de algo deriva no caminho de outra coisa. Qualquer acidente espacial certamente criará mais lixo espacial também, jogando fora os destroços que também colocam a espaçonave em risco.
Todos esses são fortes motivadores para Ridley, Berger e colegas estudarem como funciona o arrasto causado pela tempestade. Os EUA. militares rastreiam satélites e destroços e prevê onde eles provavelmente estarão no futuro, mas todos esses cálculos são inúteis sem conhecer os efeitos das tempestades solares, diz Boris Krämer, engenheiro aeroespacial da Universidade da Califórnia em San Diego que colabora com Ridley . “Para colocar os satélites em trajetórias de modo que evitem colisões, é necessário conhecer o clima espacial”, diz Krämer.
Leva tempo para criar simulações estimando o arrasto em um único satélite. Os modelos atuais funcionam em supercomputadores poderosos. Mas se um satélite precisa usar seu computador de bordo para fazer esses cálculos dinamicamente, os pesquisadores precisam desenvolver modelos suficientemente precisos que funcionem muito mais rapidamente e com menos energia.
Novos dados e novos modelos provavelmente não estarão online a tempo para a próxima temporada de tempestades solares, mas eles devem estar disponíveis para o ciclo solar 26 em 2030. Talvez até lá, os cientistas serão capazes de dar alertas vermelhos mais cedo para avisar sobre uma tempestade que se aproxima, dando mais tempo para mover satélites, reforçar os transformadores e evitar o pior.
O objetivo de melhorar as previsões meteorológicas espaciais atraiu amplo apoio do governo federal e interesse da indústria, incluindo a Lockheed Martin, por causa das ameaças a satélites importantes, incluindo os 31 que constituem os EUA. Rede GPS.
O crescente interesse no clima espacial levou à lei de 2020, conhecida como Lei de Promoção da Pesquisa e Observações do Clima Espacial para Melhorar a Previsão do Amanhã, ou PROSWIFT. E a National Science Foundation e a NASA deram apoio a programas de pesquisa do clima espacial como Berger’s e Ridley’s. Por exemplo, Ridley, Krämer e seus colaboradores recentemente receberam US $ 3,1 milhões em doações da NSF para desenvolver novas simulações de computador e software de clima espacial, entre outras coisas.
Nossa confiança na tecnologia no espaço vem com vulnerabilidades crescentes. Alguns cientistas espaciais especulam que falhamos em encontrar civilizações alienígenas porque algumas dessas civilizações foram dizimadas pelas estrelas muito ativas que orbitam, o que poderia destruir a atmosfera de um mundo outrora habitável e expor a vida na superfície à radiação estelar nociva e ao espaço clima. Nosso sol não é tão perigoso quanto muitas outras estrelas que têm atividade magnética mais frequente e intensa, mas tem o potencial de ser perigoso para nosso modo de vida.
“Globalmente, temos que levar a sério o clima espacial e nos preparar. Não queremos acordar um dia e toda a nossa infraestrutura está inoperante”, diz Luntama da ESA. Com os principais satélites e redes elétricas destruídas repentinamente, não poderíamos nem mesmo usar nossos telefones para pedir ajuda.
Publicado em 28/02/2021 12h32
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