15.4: Clima espacial

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

• Explique o que é o clima espacial e como ele afeta a Terra

Nas seções anteriores, vimos que algumas das partículas que saem do Sol - seja de forma constante como no vento solar ou em grandes explosões como o CMES - alcançarão a Terra e sua magnetosfera (a zona de influência magnética que circunda nosso planeta). Como se os cientistas não tivessem problemas suficientes para tentar prever o clima na Terra, isso significa que agora eles estão enfrentando o desafio de prever os efeitos das tempestades solares na Terra. Esse campo de pesquisa é chamado de clima espacial; quando esse clima fica tempestuoso, nossa tecnologia acaba por estar em risco.

Com milhares de satélites em órbita, astronautas fixando residência de longa duração na Estação Espacial Internacional, milhões de pessoas usando telefones celulares, GPS e comunicação sem fio e quase todo mundo confiando na disponibilidade de energia elétrica confiável, os governos agora estão fazendo grandes investimentos em tentando aprender a prever quando as tempestades solares ocorrerão e com que intensidade elas afetarão a Terra.

Um pouco de história

O que hoje estudamos como clima espacial foi reconhecido pela primeira vez (embora ainda não compreendido) em 1859, no que hoje é conhecido como o Evento de Carrington. No início de setembro daquele ano, dois astrônomos amadores, incluindo Richard Carrington na Inglaterra, observaram de forma independente uma erupção solar. Isso foi seguido um ou dois dias depois por uma significativa tempestade solar atingindo a região do campo magnético da Terra, que logo foi sobrecarregada com partículas carregadas (veja a Terra como um planeta).

Como resultado, a atividade da aurora foi intensa e a aurora boreal era visível muito além de suas localizações normais, perto dos pólos, no extremo sul do Havaí e do Caribe. As luzes brilhantes no céu eram tão intensas que algumas pessoas relataram ter se levantado no meio da noite, pensando que deveria ser dia.

A tempestade solar de 1859 aconteceu em um momento em que uma nova tecnologia estava começando a unir pessoas nos Estados Unidos e em alguns outros países: o sistema telegráfico. Era uma máquina e uma rede para enviar mensagens em código por meio de fios elétricos aéreos (um pouco como uma versão muito antiga da Internet). As partículas carregadas que sobrecarregaram o campo magnético da Terra desceram em direção à superfície do nosso planeta e afetaram os fios do sistema telegráfico. Faíscas foram vistas saindo de fios expostos e saindo das máquinas telegráficas nos escritórios do sistema.

A observação da claridade que precedeu esses efeitos na Terra levou à especulação científica de que existia uma conexão entre a atividade solar e os impactos na Terra — esse foi o começo de nossa compreensão do que hoje chamamos de clima espacial.

Veja os cientistas da NASA responderem a algumas perguntas sobre o clima espacial e discutirem alguns efeitos que isso pode ter no espaço e na Terra.

Fontes de clima espacial

Três fenômenos solares — buracos coronais, explosões solares e CMES — são responsáveis pela maior parte do clima espacial que experimentamos. Os orifícios coronais permitem que o vento solar flua livremente para longe do Sol, sem impedimentos pelos campos magnéticos solares. Quando o vento solar chega à Terra, como vimos, faz com que a magnetosfera da Terra se contraia e depois se expanda após a passagem do vento solar. Essas mudanças podem causar distúrbios eletromagnéticos (geralmente leves) na Terra.

Mais graves são as explosões solares, que regam a alta atmosfera da Terra com raios-X, partículas energéticas e radiação ultravioleta intensa. Os raios X e a radiação ultravioleta podem ionizar átomos na alta atmosfera da Terra, e os elétrons liberados podem acumular uma carga na superfície de uma espaçonave. Quando essa carga estática é descarregada, ela pode danificar os componentes eletrônicos da espaçonave, assim como você pode receber um choque ao caminhar sobre um tapete com os pés da meia em um clima seco e, em seguida, tocar em um interruptor de luz ou em algum outro objeto de metal.

As mais perturbadoras são as ejeções de massa coronal. Uma CME é uma bolha em erupção de dezenas de milhões de toneladas de gás expelidas do Sol para o espaço. Quando essa bolha chega à Terra alguns dias depois de deixar o Sol, ela aquece a ionosfera, que se expande e chega mais longe no espaço. Como consequência, o atrito entre a atmosfera e a espaçonave aumenta, arrastando os satélites para altitudes mais baixas.

Na época de uma explosão particularmente forte e CME em março de 1989, o sistema responsável por rastrear cerca de 19.000 objetos que orbitavam a Terra perdeu temporariamente o rastro de 11.000 deles porque suas órbitas foram alteradas pela expansão da atmosfera terrestre. Durante o máximo solar, vários satélites são levados a uma altitude tão baixa que são destruídos pelo atrito com a atmosfera. Tanto o Telescópio Espacial Hubble quanto a Estação Espacial Internacional (Figura\(\PageIndex{1}\)) exigem reaumentos em altitudes mais altas para que possam permanecer em órbita.

Figura Estação Espacial\(\PageIndex{1}\) Internacional. A Estação Espacial Internacional é vista acima da Terra, conforme fotografada em 2010 pela tripulação que partiu do ônibus espacial Atlantis. (crédito: NASA)

Danos causados pela tempestade solar na Terra

Quando um CME chega à Terra, ele distorce o campo magnético da Terra. Como um campo magnético variável induz corrente elétrica, o CME acelera elétrons, às vezes a velocidades muito altas. Esses “elétrons assassinos” podem penetrar profundamente nos satélites, às vezes destruindo seus componentes eletrônicos e desativando permanentemente a operação. Isso aconteceu com alguns satélites de comunicação.

Distúrbios no campo magnético da Terra podem causar interrupções nas comunicações, especialmente nos telefones celulares e nos sistemas sem fio. Na verdade, pode-se esperar que as interrupções ocorram várias vezes por ano durante o máximo solar. Mudanças no campo magnético da Terra devido aos CMEs também podem causar surtos em linhas de energia grandes o suficiente para queimar transformadores e causar grandes quedas de energia. Por exemplo, em 1989, partes da província de Montreal e Quebec, no Canadá, ficaram sem energia por até 9 horas como resultado de uma grande tempestade solar. Quedas elétricas devido a CMEs têm maior probabilidade de ocorrer na América do Norte do que na Europa, porque a América do Norte está mais próxima do pólo magnético da Terra, onde as correntes induzidas pelos CMEs são mais fortes.

Além de alterar as órbitas dos satélites, os CMEs também podem distorcer os sinais enviados por eles. Esses efeitos podem ser grandes o suficiente para reduzir a precisão das posições derivadas do GPS, de modo que não possam atingir os limites exigidos pelos sistemas de aviões, que devem conhecer suas posições dentro de 160 pés. Essas interrupções causadas pelos CMEs ocasionalmente forçaram a Administração Federal de Aviação a restringir os voos por minutos ou, em alguns casos, até dias.

As tempestades solares também expõem astronautas, passageiros em aviões que voam alto e até mesmo pessoas na superfície da Terra a maiores quantidades de radiação. Os astronautas, por exemplo, estão limitados na quantidade total de radiação à qual podem ser expostos durante suas carreiras. Uma única explosão solar inoportuna pode encerrar a carreira de um astronauta. Esse problema se torna cada vez mais sério à medida que os astronautas passam mais tempo no espaço. Por exemplo, a dose diária típica de radiação a bordo da estação espacial russa Mir era equivalente a cerca de oito radiografias de tórax. Um dos maiores desafios no planejamento da exploração humana de Marte é criar uma maneira de proteger os astronautas da radiação solar de alta energia.

O aviso prévio de tempestades solares nos ajudaria a minimizar seus efeitos disruptivos. As redes de energia poderiam funcionar com menos do que sua capacidade total, para que pudessem absorver os efeitos dos picos de energia. As redes de comunicação podem estar preparadas para avarias e ter planos de backup em vigor. As caminhadas espaciais podem ser programadas para evitar grandes explosões solares. Os cientistas agora estão tentando encontrar maneiras de prever onde e quando as explosões e CMEs ocorrerão, e se serão eventos grandes, rápidos ou pequenos e lentos, com poucas consequências para a Terra.

A estratégia é relacionar as mudanças na aparência de regiões pequenas e ativas e as mudanças nos campos magnéticos locais no Sol às erupções subsequentes. No entanto, no momento, nossa capacidade preditiva ainda é fraca e, portanto, o único aviso real que temos é de realmente ver CMEs e flares ocorrerem. Como um CME viaja para fora a cerca de 500 quilômetros por segundo, uma observação de uma erupção fornece vários dias de aviso à distância da Terra. No entanto, a gravidade do impacto na Terra depende de como o campo magnético associado ao CME é orientado em relação ao campo magnético da Terra. A orientação só pode ser medida quando o CME passa por um satélite que criamos para esse fim. No entanto, ele está localizado a apenas cerca de uma hora a montante da Terra.

As previsões meteorológicas espaciais agora estão disponíveis on-line para cientistas e o público. As perspectivas são fornecidas com uma semana de antecedência, os boletins são emitidos quando há um evento que provavelmente seja do interesse do público e os avisos e alertas são publicados quando um evento é iminente ou já está em andamento (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura Centro de Operações de Previsão Meteorológica Espacial da\(\PageIndex{2}\) NOAA. Bill Murtagh, um meteorologista espacial, lidera um workshop sobre preparação para eventos como tempestades geomagnéticas.

Para encontrar informações públicas e alertas sobre o clima espacial, você pode recorrer ao National Space Weather Prediction Center ou SpaceWeather para obter informações consolidadas de várias fontes.

Felizmente, podemos esperar um clima espacial mais calmo para os próximos anos, já que o máximo solar mais recente, que foi relativamente fraco, ocorreu em 2014, e os cientistas acreditam que o ciclo solar atual seja um dos menos ativos da história recente. Esperamos que mais satélites sejam lançados, o que nos permitirá determinar se os CMEs estão indo em direção à Terra e quão grandes eles são. Modelos estão sendo desenvolvidos para permitir que os cientistas usem as primeiras informações sobre o CME para prever seu provável impacto na Terra.

A esperança é que, até o próximo máximo, a previsão do tempo solar tenha parte da capacidade preditiva que os meteorologistas alcançaram para o clima terrestre na superfície da Terra. No entanto, os eventos mais difíceis de prever são as maiores e mais prejudiciais tempestades — furacões na Terra e tempestades extremas e raras no Sol. Assim, é inevitável que o Sol continue nos surpreendendo.

Exemplo\(\PageIndex{1}\): o momento dos eventos solares

Uma equação básica é útil para descobrir quando os eventos no Sol afetarão a Terra:

\[ \text{distance } = \text{ velocity } \times \text{ time, or } D=v \times t \nonumber\]

Dividindo os dois lados por\(v\), obtemos

\[T=D/v \nonumber\]

Suponha que você observe uma grande explosão solar enquanto os astronautas estão orbitando a Terra. Se a velocidade média do vento solar for de 400 km/s e a distância até o Sol for de 1.496 × 10 ⁸ km, quanto tempo demorará até que as partículas carregadas ejetadas do Sol durante o clarão cheguem à estação espacial?

Solução

O tempo necessário para que as partículas do vento solar cheguem à Terra é\(T = D/v\).

\[ \frac{1.496 \times 10^8 \text{ km}}{400 \text{ km/s}}=3.74 \times 10^5 \text{ s, or } \frac{3.74 \times 10^5 \text{ s}}{60 \text{ s/min} \times 60 \text{ min/h} \times 24 \text{ h/d}} = 4.3 \text{ d} \nonumber\]

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Quantos dias seriam necessários para as partículas chegarem à Terra se a velocidade do vento solar aumentasse para 500 km/s?

Responda

\[ \frac{1.496 \times 10^8 \text{ km}}{500 \text{ km/s}}=2.99 \times 10^5 \text{ s, or } \frac{2.99 \times 10^5 \text{ s}}{60 \text{ s/min} \times 60 \text{ min/h} \times 24 \text{ h/d}} =3.46 \text{ d} \nonumber\]

O clima da Terra e o ciclo das manchas solares: existe uma conexão?

Embora o Sol nasça fielmente todos os dias em um horário que pode ser calculado com precisão, os cientistas determinaram que a produção de energia do Sol não é realmente constante, mas varia ao longo dos séculos em uma pequena quantidade — provavelmente menos de 1%. Vimos que o número de manchas solares varia, com o tempo entre as manchas solares máximas de cerca de 11 anos, e que o número máximo de manchas solares nem sempre é o mesmo. Evidências consideráveis mostram que, entre os anos de 1645 e 1715, o número de manchas solares, mesmo no máximo, foi muito menor do que é agora. Esse intervalo de números significativamente baixos de manchas solares foi observado pela primeira vez por Gustav Sprer em 1887 e depois por E. W. Maunder em 1890; agora é chamado de Mínimo de Maunder. A variação no número de manchas solares nos últimos três séculos é mostrada na Figura\(\PageIndex{3}\). Além do Mínimo de Maunder no século XVII, os números de manchas solares eram um pouco menores durante a primeira parte do século XIX do que são agora; esse período é chamado de Mínimo de Little Maunder.

Figura\(\PageIndex{3}\) Números de manchas solares ao longo do tempo. Este diagrama mostra como o número de manchas solares mudou com o tempo, desde que as contagens do número de manchas começaram a ser registradas em uma escala consistente. Observe o baixo número de vagas durante os primeiros anos do século XIX, o Little Maunder Minimum.

Quando o número de manchas solares é alto, o Sol também está ativo de várias outras maneiras e, como veremos em várias seções abaixo, algumas dessas atividades afetam diretamente a Terra. Por exemplo, há mais exibições aurorais quando o número de manchas solares é alto. As auroras são causadas quando partículas energicamente carregadas do Sol interagem com a magnetosfera da Terra, e o Sol tem maior probabilidade de expelir partículas quando está ativo e o número de manchas solares é alto. Relatos históricos também indicam que a atividade auroral foi anormalmente baixa ao longo das várias décadas do Mínimo de Maunder.

O Mínimo de Maunder foi uma época de temperaturas excepcionalmente baixas na Europa, tão baixas que esse período é descrito como a Pequena Idade do Gelo. Essa coincidência no tempo fez com que os cientistas tentassem entender se pequenas mudanças no Sol poderiam afetar o clima na Terra. Há evidências claras de que estava excepcionalmente frio na Europa durante parte do século XVII. O rio Tâmisa, em Londres, congelou pelo menos 11 vezes, o gelo apareceu nos oceanos da costa sudeste da Inglaterra e as baixas temperaturas do verão levaram a temporadas de crescimento curtas e colheitas ruins. No entanto, se e como as mudanças no Sol nessa escala de tempo influenciam o clima da Terra ainda é uma questão de debate entre os cientistas.

Outras pequenas mudanças no clima, como a Pequena Idade do Gelo, ocorreram e tiveram seus impactos na história da humanidade. Por exemplo, exploradores da Noruega primeiro colonizaram a Islândia e depois chegaram à Groenlândia em 986. A partir daí, eles puderam fazer visitas repetidas às costas do nordeste da América do Norte, incluindo Newfoundland, entre cerca de 1000 e 1350. (Os navios da época não permitiam que os exploradores nórdicos viajassem diretamente até a América do Norte, mas apenas da Groenlândia, que servia como uma estação para futuras explorações.)

A maior parte da Groenlândia é coberta por gelo, e a estação da Groenlândia nunca foi autossuficiente; pelo contrário, dependia da importação de alimentos e outros bens da Noruega para sua sobrevivência. Quando uma pequena era glacial começou no século XIII, as viagens se tornaram muito difíceis e o apoio à colônia da Groenlândia não era mais possível. O último contato conhecido com ele foi feito por um navio da Islândia que saiu do curso em 1410. Quando os navios europeus voltaram a visitar a Groenlândia em 1577, toda a colônia havia desaparecido.

As datas estimadas para esses padrões de migração seguem o que sabemos sobre a atividade solar. A atividade solar foi excepcionalmente alta entre 1100 e 1250, o que inclui a época em que os primeiros contatos europeus foram feitos com a América do Norte. A atividade foi baixa de 1280 a 1340 e houve uma pequena era glacial, que foi na época em que o contato regular com a América do Norte e entre a Groenlândia e a Europa parou.

É preciso ter cuidado, no entanto, ao supor que baixos números de manchas solares ou variações na produção de energia do Sol causaram a Pequena Idade do Gelo. Não há um modelo satisfatório que possa explicar como uma redução na atividade solar pode causar temperaturas mais baixas na Terra. Uma possibilidade alternativa é que o clima frio durante a Pequena Idade do Gelo estivesse relacionado à atividade vulcânica. Os vulcões podem ejetar aerossóis (pequenas gotículas ou partículas) na atmosfera que refletem eficientemente a luz solar. As observações mostram, por exemplo, que a erupção do Pinatubo em 1991 ejetou aerossóis de SO ₂ na atmosfera, o que reduziu a quantidade de luz solar que atingia a superfície da Terra o suficiente para baixar as temperaturas globais em 0,4 °C.

Dados de satélite mostram que a produção de energia do Sol durante um ciclo solar varia em apenas cerca de 0,1%. Não conhecemos nenhum processo físico que explique como uma variação tão pequena poderia causar mudanças globais na temperatura. O nível de atividade solar pode, no entanto, ter outros efeitos. Por exemplo, embora a produção total de energia do Sol varie em apenas 0,1% durante um ciclo solar, sua radiação ultravioleta extrema é 10 vezes maior às vezes do máximo solar do que no mínimo solar. Essa grande variação pode afetar a química e a estrutura de temperatura da alta atmosfera. Um efeito pode ser a redução da camada de ozônio e o resfriamento da estratosfera próxima aos pólos da Terra. Isso, por sua vez, poderia mudar os padrões de circulação dos ventos no alto e, consequentemente, os rastros das tempestades. Há algumas evidências recentes de que as variações nas chuvas regionais se correlacionam melhor com a atividade solar do que a temperatura global da Terra. Mas, como você pode ver, a relação entre o que acontece no Sol e o que acontece com o clima da Terra no curto prazo ainda é uma área que os cientistas estão investigando e debatendo.

Quaisquer que sejam os efeitos da atividade solar nos padrões locais de precipitação ou temperatura, queremos enfatizar uma ideia importante: nossos dados de mudanças climáticas e os modelos desenvolvidos para contabilizar os dados mostram consistentemente que a variabilidade solar não é a causa do aquecimento global que ocorreu durante os últimos 50 anos.

Conceitos principais e resumo

O clima espacial é o efeito da atividade solar em nosso próprio planeta, tanto na nossa magnetosfera quanto na superfície da Terra. Os orifícios coronais permitem que mais material do Sol flua para o espaço. Explosões solares e ejeções de massa coronal podem causar auroras, interromper as comunicações, danificar satélites e causar quedas de energia na Terra.