Clima Espacial

Vivemos na atmosfera do Sol, literalmente. Quem pensa que o Sol é uma estrela estática está muito enganado. O Sol é uma estrela muito ativa. Sabemos que o núcleo do Sol é caracterizado pela fusão de hidrogênio e hélio, o que faz de nossa estrela uma grande “fornaça”. O que talvez não saibamos é que nas camadas externas do Sol fenômenos bastante interessantes ocorrem.

Voce já ouviu falar em vento solar? Ele é originado da corona, também conhecida como atmosfera externa do Sol. O vento solar consiste em um fluxo contínuo de plasmas que o Sol emite em todas as direções, composto basicamente de elétrons, prótons e partículas alfa, bem como campos magnéticos, a uma velocidade de 450 km/s. Esse “vento” do Sol consiste, dessa forma, em uma extensão da corona solar que engloba todos os planetas do Sistema Solar, preenchendo o espaco interplanetário. Quando esse vento encontra um planeta, ele ocasiona alterações nas propriedades elétricas do espaço ao seu redor, que pode produzir impacto significativo nas atmosferas planetárias – especialmente em planetas com magnetosferas fracas ou inexistentes, tais como Vênus e Marte, e em seus campos magneticos  – especialmente em planetas com campos magneticos fortes, tais como a Terra, Júpiter, Saturno, Urano e Netuno (Fonte: NASA). Veja abaixo um vídeo que ilustra o vento solar.

Vejamos agora o que são manchas solares. A superfície do Sol tecnicamente denominada fotosfera, é marcada por “manchas solares”, resultado de perturbações temporárias causadas por concentração intensa de linhas de campo magnético que se estendem abaixo e acima da fotosfera. Observe as manchas na fotosfera:

Agora observe como a presença de uma quantidade maior de manchas solares torna o Sol ativo:

Essas estruturas assemelham-se a arcos gigantes quando gases eletrificados (plasmas) passam através de seus campos magnéticos, o que é ilustrado por essa imagem da NASA:

A maioria das manchas quando atinge a fotosfera aparecem em grupos, geralmente ocorrendo em pares de polaridades magnéticas opostas, que se conectam como um cordão. Mas há também manchas que surgem individualmente e, nesse caso, estendem-se desconectadas rumo ao espaço exterior. Aqueles jatos de energia magnética intensa talvez venham da zona radiativa ou convectiva.Veja essa imagem da NASA que mostra as diferentes camadas do Sol:

As manchas solares, que podem ser maiores que a Terra, movem-se de leste para oeste ao longo do disco solar, e podem durar horas ou meses. Elas resultam da rotação desigual do Sol (mais rápida do equador e mais lenta nos polos). Sua coloração aparente é preta, mas na verdade elas são vermelhas. As regiões de manchas solares são mais frias que as áreas próximas. A temperatura das manchas é de cerca de 4200 graus Celsius, enquanto que a superfície do Sol tem uma temperatura aproximada de cerca de 6000 graus Celsius. Elas estão relacionadas, de certa forma, a explosões solares (flares). Essa imagem da NASA mostra uma mancha solar maior que a Terra.

Na metade do século dezenove, os astrônomos descobriram que a quantidade de manchas solares na superfície do Sol variava em um ciclo que passou a ser chamado “ciclo de manchas solares” ou “ciclo solar”. Em média a cada 11 anos, a quantidade de manchas solares na superfície do Sol aumenta ou diminui, mas o intervalo de tempo entre dois períodos de atividade máxima do Sol pode variar de 9 a 15 anos. No mínimo solar, a quantidade de manchas solares pode ser de apenas cinco, enquanto que no máximo solar, pode chegar a até 250 manchas (Fonte: NASA).

Durante o máximo solar, há mais manchas solares e o Sol é mais brilhante. Parece haver uma conexão entre a temperatura na Terra e o ciclo de manchas solares, pois a liberação de energia solar é menor quando o Sol está em seu mínimo.

Às vezes, o Sol para de produzir manchas solares. Por exemplo, de 1645 a 1705, na Europa, houve um período denominado Mínimo de Maunder, de pouquíssimas manchas solares, que foi chamado de pequena Idade do Gelo.

Vimos que as manchas solares ocorrem em sua maioria em pares de polaridades opostas. Uma curiosidade sobre o ciclo de manchas solares é que todos os polos “líderes” de manchas solares têm a mesma polaridade durante todo um ciclo solar. Durante o ciclo seguinte, todas as manchas “líderes” terão a polaridade oposta. Por exemplo, se as manchas “líderes” tinham polaridade norte durante o ciclo atual, elas todas terão polaridade sul durante o próximo ciclo. Assim, um novo ciclo se inicia quando as manchas “líderes” trocam de polaridade.Veja abaixo esse gráfico associado a uma imagem da NASA, que mostra como a quantidade de manchas solares varia ao longo do ciclo.

Períodos em que o Sol apresenta poucas manchas solares são comumente denominados “Sol calmo” e nesses períodos não há muitos efeitos de clima espacial. Veja na sequência outra imagem, obtida pela sonda japonesa Yohkoh, que mostra uma sequência de fotos do Sol em um ciclo de manchas solares completo, o qual evidencia a atividade solar, de 1991 a 1995. A Yohkoh é uma sonda de observação do Sol, resultado de uma missão em cooperação do Japão, Estados Unidos e Reino Unido. A Yohkoh foi lançada em 1991, e tem observado a atmosfera do Sol em raio-x de forma contínua por mais de nove anos.

Veja agora como o Sol pode ser explosivo. Você já ouviu falar em tempestades solares? Assim como existem tempestades na Terra que nos fazem correr atrás de um guarda chuva e às vezes nem sair de casa, também no espaço não estamos livres de um clima ruim! Trata-se do clima espacial, cujas principais manifestações são “explosões” nas camadas externas do Sol, notadamente a corona. Os principais efeitos dessas tempestades são as ejeções de material coronal (CME) e os “flares” solares. Ejeções lançam muito material da corona no espaço, enquanto que os flares são muito rápidos.

Ejeções de material coronal (CME) são explosões que expelem plasmas solares em forma de nuvem ou bolha superaquecida e suspensa por pressões magnéticas na cromosfera. Essas nuvens ou bolhas de plasma se expandem para além da corona solar, preenchendo o meio interplanetário. Veja que fantástica essa imagem composta ampliada, obtida pela sonda SOHO das NASA, em extremo UV, no ano de 2002, mostrando a corona e detalhes de uma ejeção de material coronal.

Essas explosões começam como uma pequena aglomeração de plasmas que se expande na medida em que mais elétrons e prótons são transportados acima da zona de convecção do Sol. Quando essa nuvem penetra as camadas inferiores da corona, plasmas solares são aquecidos a milhões de graus centígrados e movem-se ao longo de linhas de campo magnético, de modo que a nuvem se expande e acelera elétrons, prótons e núcleos pesados a velocidade de milhões de quilômetros por hora, maior que a velocidade do vento solar.

A nuvem se expande como um balão, esticando as linhas de campo magnético. Eventualmente, o campo magnético pode deixar de conter a nuvem de plasma, de modo que a bolha “explode” e escapa do Sol em direção ao espaço. As CME fazem com que o espaço interplanetário seja preenchido com fragmentos da nuvem e do campo magnético que ela transporta, para além da órbita do ex-planeta Plutão.

Cada ejeção de material coronal, tipicamente, libera de 1 a 10 bilhões de toneladas de plasma da corona do Sol. Uma explosão dessas leva de 2 a 3 dias para chegar até a Terra. Próximo do máximo solar, observamos em média de 2 a 3 ejeções de material coronal por dia. No mínimo solar, observamos somente uma por semana.

Nesse vídeo da NASA, um cientista fala sobre a anatomia de uma ejeção de material coronal, mostrando as duas sondas STEREO da NASA, que dentre outras coisas tem por missão estudar essas emissões.

Flares solares são as explosões mais intensas e rápidas do Sistema Solar. Em poucos minutos, elas liberam plasmas aquecidos a milhões de graus centígrados e energia equivalente a bilhões de bombas de hidrogênio. São explosões de raios-x que atingem a Terra em 9 minutos, a uma velocidade de 3 x 10⁵ km/h.

Quando a energia contida nas linhas de campo magnético de uma região ativa do Sol não pode mais ser contida, ela é por vezes liberada repentinamente em uma gigantesca explosão chamada “flare”, a qual pode durar de minutos a horas.

Eles são causados pela colisão de manchas solares. Às vezes, uma nova mancha solar pode surgir dentro de uma mancha solar que já existia. Se suas polaridades forem iguais, nada de especial acontecerá. Mas se forem opostas, isso fará com que correntes de fluxo gasoso se movimentem em direções opostas na mesma parte da fotosfera (Fonte: NASA). Isso causará as explosões ou flares.

A quantidade de flares está relacionada ao ciclo solar. Em outras palavras, o número de flares aumenta na mesma medida do número de manchas solares. No período de máximo solar, a quantidade de flares por mês pode chegar a 1000. Flares intensos geralmente ocorrem depois que o ciclo solar atinge o máximo e começa a declinar.

Os flares podem causar blecautes ao longo de todo o hemisfério da Terra voltado para o Sol. Astronautas no espaço ou satélites em órbita da Terra podem ser bombardeados pelas partículas emanadas do flare, e sofrer sérios danos por conta dos altos índices de radiação que ele gera.

Alguns flares podem causar ejeções de material. Veja que espetacular essa imagem da NASA que mostra um flare que surge na superfície do Sol.

O clima espacial é o resultado de tempestades solares (ejeções de material coronal, flares solares, vento espacial e outros efeitos) que interagem com o campo magnético da Terra, também denominado magnetosfera. A radiação nociva do Sol tornaria a vida na Terra inviável se não existissse esse campo magnético para nos proteger. Quando explosões solares muito fortes ocorrem, pode haver danos para sistemas espaciais, tais quais satélites de navegação e comunicação, bem como para astronautas realizando atividades extraveiculares. Dependendo do nível de radiação ao qual ficarem expostos, até mesmo suas vidas podem correr perigo. No entanto, nem tudo são perigos no que se refere ao clima espacial. Por exemplo, um dos efeitos do clima espacial são as magnificentes auroras, que podem ser observadas em determinadas regiões da Terra, sobretudo os polos. Veja abaixo esse vídeo da NASA que mostra uma aurora vista do espaço.

Mas não estamos desprotegidos contra todos os efeitos de clima espacial e sua radiação nociva! Contamos com um forte escudo de proteção, chamado magnetosfera, ou seja, linhas de campo magnético que circundam nosso planeta, protegendo-o de tempestades solares (flares solares, ejeções de material coronal, etc.). O vento solar interage com a magnetosfera, de modo a comprimir o lado voltado para a Terra, e esticar o lado oposto desse campo invisível, como a cauda de um cometa.Veja esse vídeo que mostra a interção do vento solar com a magnetosfera.

Os astronautas ficam expostos a níveis reduzidos de radiação quando viajam na magnetosfera e a altos níveis de radiação quando estão fora da magnetosfera, a caminho da Lua ou de outros planetas.

Abaixo, a sonda da NASA Observatório de Dinâmica Solar – SDO (original: “Solar Dynamics Observatory”) obtém imagem da Lua quando ela passa em frente ao Sol.

Agora, veja esse vídeo em que um cientista da NASA explica como um instrumento da sonda SDO nos permitirá ver atividade no interior do Sol e até do outro lado do Sol. Aqui, é possível ver também a magnetosfera terrestre.

Veja aqui um vídeo que mostra como se relaciona o ciclo de manchas solares, flares solares e ejeções de material coronal. Note que chamamos de máximo solar o período em que o Sol tem uma atividade solar mais intensa e que nesse período a quantidade de manchas solares também é maior.

Agora, veja esse vídeo da NASA que mostra sua sonda THEMIS, em uma missão de estudar a interação entre as partículas emanadas do Sol e o campo magnético da Terra.

Veja esses dois vídeos combinados da sonda SDO da NASA, que mostra belas erupções de prominências na superfície do Sol. As imagens foram obtidas em março de 2010, em extremo ultravioleta, correspondente a uma temperatura de aproximadamente 50.000 graus celsius.