Atividade solar: erupções, manchas e clima espacial
Linas JuozėnasPartilhar
Arco do Conhecimento · Universo · Capítulo 08 / Artigo 02
Quando o Sol agita o nosso céu.
O véu das auroras revela uma ligação que se estende pelo espaço. Acompanhe a atividade magnética variável do Sol, distinga as suas erupções e descubra como a atividade solar afeta a vida num mundo tecnológico.
O espaço em torno da Terra é um ambiente ativo
O Sol pode parecer tranquilo enquanto a energia magnética se acumula na sua atmosfera. Quando esta energia é libertada, as consequências dependem do que sai do Sol e da forma como nos alcança.
O clima espacial descreve as condições variáveis do ambiente espacial e os seus efeitos nos planetas, nas naves espaciais e na tecnologia. A atividade solar é uma das suas principais causas.[1]
No artigo anterior, acompanhámos a energia que faz o Sol brilhar. Aqui, seguimos para o exterior a sua atividade magnética – das manchas escuras ao céu luminoso e aos sistemas que ajudam a prever uma tempestade.
Porque é que o Sol se torna inquieto?
O Sol é composto sobretudo por plasma – matéria que contém partículas eletricamente carregadas. A sua rotação e os movimentos convectivos põem este material eletricamente condutor em movimento e ajudam a regenerar os campos magnéticos. Este processo chama-se dínamo solar. A rotação diferencial – com o equador a girar mais depressa do que os polos – ajuda a esticar o campo, enquanto a convecção em rotação também o molda. O mecanismo completo do dínamo continua a ser objeto de investigação ativa.[2]
As manchas solares tornam o magnetismo visível
Campos magnéticos fortes podem suprimir o transporte convectivo habitual de calor à superfície, criando manchas solares relativamente frias. Contra o fundo mais brilhante da fotosfera, parecem escuras, mas continuam a emitir muita luz. Uma mancha desenvolvida tem uma umbra central mais escura, rodeada por uma penumbra filamentosa. Os campos magnéticos da penumbra são geralmente mais fracos e mais inclinados em relação à horizontal do que os da umbra.[3]
Um ritmo irregular de cerca de onze anos
O número de manchas solares aumenta e diminui ao longo de um ciclo de atividade de onze anos, aproximadamente. Os ciclos diferem em duração e intensidade. O padrão de polaridade inverte-se entre ciclos consecutivos, pelo que o ciclo magnético dura cerca de 22 anos. O máximo solar significa normalmente mais regiões ativas e erupções, enquanto o mínimo corresponde a uma atividade reduzida, não a uma estrela inativa.[4], [2]
O que sai realmente do Sol?
Os campos magnéticos de uma região ativa podem ficar tensionados e libertar energia através da reconexão magnética– uma reorganização do campo. Uma erupção pode produzir vários sinais. As erupções solares e as ejeções de massa coronal ocorrem frequentemente em simultâneo, mas uma pode acontecer sem a outra.[6]
Radiação de uma erupção: um aumento súbito de luz
Uma erupção solar é uma explosão de radiação eletromagnética em muitos comprimentos de onda. A sua luz chega à Terra cerca de oito minutos após ser emitida. Uma erupção pode durar de minutos a horas; a sua duração é diferente do tempo que a luz demora a viajar. Quando um instrumento perto da Terra deteta uma erupção, esses fotões já cá estão.[7]
Partículas de alta energia: uma população muito mais rápida
As partículas solares de alta energia são aceleradas a energias muito superiores às das partículas normais do vento solar. Podem ser aceleradas pela reconexão magnética, e as ondas de choque provocadas por CME rápidas são especialmente importantes em eventos de partículas intensos e prolongados. Não são apenas a extremidade dianteira da matéria da CME principal.[8]
As primeiras partículas muito rápidas podem chegar às proximidades da Terra em algumas dezenas de minutos ou menos, enquanto a chegada das restantes se prolonga por mais tempo. Uma tempestade de radiação pode durar horas ou dias.[9]
Ejeções de massa coronal: matéria que transporta campos magnéticos
Une ejeção de massa coronal do Sol, ou CME, é uma nuvem em expansão de plasma e campo magnético. As CME extremamente rápidas dirigidas para a Terra podem chegar em cerca de 15–18 horas; as mais lentas podem demorar vários dias. Para afetar diretamente a Terra, uma CME tem de atravessar o seu ambiente, e as suas propriedades magnéticas ajudam a determinar os efeitos.[10]
Qual é a intensidade do evento solar?
A classe da erupção mede uma parte do evento
As erupções são classificadas de acordo com o fluxo máximo de raios X medido junto da Terra na faixa de comprimentos de onda de 0,1–0,8 nanómetros. As classes são designadas pelas letras A, B, C, M, X. Para o mesmo valor numérico, cada letra seguinte representa um fluxo dez vezes maior: o fluxo de M1 é dez vezes maior do que o de C1. Dentro da mesma classe, o fluxo máximo de X2 é duas vezes maior do que o de X1. A classe X não tem limite superior.
Esta medição descreve o pico do fluxo de raios X. Não é uma medida da energia total da ejeção, nem da velocidade de uma ejeção de massa coronal (CME), nem uma previsão de uma futura perturbação geomagnética.[7]
| Escala | O que descreve | Base de classificação |
|---|---|---|
| R · Interrupções das comunicações rádio | Perturbações nas comunicações de alta frequência associadas a erupções, no lado da Terra iluminado pelo Sol. | Fluxo máximo de raios X solares. |
| S · Tempestades de radiação solar | Aumento do fluxo de protões de alta energia. | Fluxo de protões com energia acima de um limiar definido. |
| G · Tempestades geomagnéticas | Perturbações do ambiente magnético da Terra. | Índice planetário Kp de atividade magnética. |
As classificações de cada escala da NOAA vão de 1 (fraca) a 5 (extrema). As classificações descrevem perigos diferentes, não as etapas sucessivas de uma única tempestade.[11]
Porque é que, por vezes, a Terra reage com intensidade?
O campo magnético da Terra molda a região que a envolve, chamada magnetosfera. O vento solar comprime o lado voltado para o Sol e estende uma longa cauda no lado oposto. Uma tempestade geomagnética ocorre quando uma transferência de energia invulgarmente intensa do vento solar perturba este sistema.
A velocidade e a intensidade do campo magnético são importantes, mas a sua direção também o é. Uma componente dirigida para sul persistente no campo magnético que chega pode permitir uma reconexão eficaz com o campo magnético do lado diurno da Terra. Através desta ligação, a energia é transferida para a magnetosfera e as correntes elétricas intensificam-se. Por isso, a imagem impressionante de uma ejeção, por si só, não permite prever a intensidade da tempestade na Terra.[12]
As auroras revelam a energia que chega à atmosfera
As auroras formam-se quando partículas de alta energia, frequentemente eletrões, se deslocam ao longo das linhas do campo magnético até às camadas superiores da atmosfera. As colisões com estas partículas excitam o oxigénio e o azoto, que emitem energia sob a forma de luz. Durante uma atividade intensa, a zona das auroras pode estender-se muito para além dos polos.[13]
Os buracos coronais são outra fonte de perturbações
Os buracos coronais são regiões de campo magnético aberto de onde emanam fluxos de vento solar rápido. Quando um fluxo rápido alcança o vento mais lento que se desloca à sua frente, a interação entre ambos comprime a matéria e os campos magnéticos, o que pode desencadear atividade geomagnética. Os buracos coronais de longa duração podem voltar a aparecer à medida que o Sol roda; são frequentes durante o mínimo de atividade solar, pelo que os fenómenos de clima espacial não desaparecem mesmo quando a atividade das manchas solares é menor.[14]
Como é que o clima espacial afeta a tecnologia?
Comunicações por rádio
A radiação de raios X das erupções solares aumenta a ionização na parte inferior da ionosfera, no lado da Terra iluminado pelo Sol. Isso pode provocar a absorção de sinais de alta frequência, que, de outro modo, permitiriam comunicações a longa distância. Os protões solares de alta energia provocam outro tipo de problema de absorção nas regiões polares, pelo que podem ser afetadas as rotas que dependem de comunicações por rádio em latitudes elevadas.[15]
Navegação por satélite
Os sinais dos satélites de navegação atravessam a ionosfera antes de chegarem ao recetor. Pequenas irregularidades na densidade dos eletrões podem fazer variar a sua intensidade e fase. Este processo chama-se cintilação. As fortes variações podem impedir que os recetores acompanhem o sinal de forma fiável, tornando o posicionamento menos preciso ou mesmo impossível.[16]
Satélites em órbita terrestre baixa
O aquecimento associado às tempestades pode expandir as camadas superiores da atmosfera e aumentar a densidade dos gases à altitude das órbitas dos satélites. O aumento da resistência aerodinâmica daí resultante altera o movimento orbital e dificulta previsões precisas. Trata-se de uma reação da atmosfera: um satélite pode sofrer maior resistência sem colidir com um objeto sólido.[17]
Redes elétricas na Terra
As alterações súbitas do campo magnético induzem campos elétricos no solo. Estes podem gerar correntes em redes condutoras extensas, incluindo linhas elétricas, aumentando assim a carga dos transformadores e dificultando a gestão da rede elétrica. O impacto depende das alterações locais do campo magnético, da condutividade elétrica do solo e da estrutura da rede, e não apenas da avaliação global da tempestade.[18]
Eletrónica das naves espaciais e pessoas para lá da atmosfera
As partículas carregadas também podem provocar a acumulação de carga elétrica na superfície ou no interior das naves espaciais, falhas pontuais na eletrónica e contribuir para danos provocados pela radiação ao longo do tempo. Estes mecanismos são diferentes dos efeitos da resistência atmosférica e dependem da energia das partículas, do ambiente orbital, da proteção contra a radiação e da conceção.[19]
A atmosfera da Terra protege de forma fiável as pessoas em terra. Para os astronautas e, durante eventos de partículas intensos, também para as pessoas que voam a grande altitude, sobretudo perto dos polos, a exposição à radiação é uma preocupação diferente. Por isso, a monitorização da radiação e o planeamento de missões visam uma ameaça diferente das perturbações na rede elétrica terrestre.[9]
Como sabem os previsores o que se aproxima?
A previsão começa com a observação do Sol. As imagens mostram regiões ativas e erupções, e os mapas do campo magnético mostram o campo na superfície visível. Os coronógrafos ocultam o disco solar brilhante para permitir acompanhar a matéria que se expande para o exterior. Estas observações ajudam a estimar a direção, a largura e a velocidade das ejeções de massa coronal (CME).[10]
Os modelos ajudam a estimar a propagação
Modelos de propagação, como o WSA–Enlil, combinam dados do vento solar de fundo com condições iniciais estimadas das CME. Calculam como a perturbação se propaga em direção à Terra e a outros locais. A incerteza das medições iniciais e a geometria simplificada da erupção tornam incerta a hora de chegada; por isso, a previsão deve ser entendida como uma estimativa continuamente atualizada.[20]
Os instrumentos posicionados a montante da Terra medem o fluxo que se aproxima
Os instrumentos de monitorização posicionados a montante da Terra no fluxo do vento solar medem a velocidade, a densidade e a direção do campo magnético. Indicam se o campo que se aproxima reúne as condições para uma forte resposta geomagnética. Consoante a velocidade do vento solar, o aviso prévio é geralmente de alguns minutos a algumas dezenas de minutos.[13]
Não existe um prazo de aviso prévio universal para uma «tempestade solar». A luz, as partículas de alta energia e a maior parte da massa de plasma chegam em momentos diferentes, pelo que cada fenómeno exige observações próprias. Uma previsão útil indica tanto o que se espera como o grau de confiança nessa expectativa.
O que nos ensinaram as tempestades intensas?
| Evento | O que foi registado | O que nos ajudam a compreender |
|---|---|---|
| 1859 · Tempestades da era de Carrington | Auroras amplamente visíveis, perturbações magnéticas e falhas nos sistemas de telégrafo. | A atividade solar pode ter afetado redes elétricas extensas mesmo antes do aparecimento da eletrónica moderna.[21] |
| Março de 1989 · Quebec | Uma tempestade geomagnética provocou o colapso do sistema elétrico da Hydro-Québec. | Não contam apenas os índices globais de tempestades, mas também as rápidas alterações locais do campo magnético e a resposta da rede elétrica.[22] |
| 2003 · Tempestades de Halloween | A sequência de erupções afetou naves espaciais, comunicações por rádio, navegação e atividades na Terra. | Várias erupções podem dar origem a um período prolongado em que ocorrem simultaneamente diferentes perigos que se sobrepõem.[23] |
| Maio de 2024 · Atividade intensa | Auroras visíveis a uma distância invulgarmente grande foram acompanhadas pela expansão da atmosfera e por dificuldades para os operadores de satélites. | Uma tempestade pode ser um espetáculo impressionante e, ao mesmo tempo, alterar o ambiente em que orbitam as naves espaciais.[24] |
Descrever um evento como «semelhante ao evento de Carrington» pode ocultar a incerteza. As medições históricas são incompletas e as estimativas da intensidade da tempestade de 1859 variam. Estas incertezas refletem-se também nas estimativas da frequência de eventos extremos de magnitude semelhante. Os dados disponíveis mostram que os eventos intensos devem ser levados a sério, mas não permitem determinar com fiabilidade a data do próximo evento deste tipo.[25]
Estes casos revelam a importância prática da ciência. As medições, a engenharia e as decisões operacionais estão interligadas: na prática, importa perguntar como reage um determinado sistema a uma determinada perturbação.
Como se manifesta a meteorologia espacial para além da Terra?
O mesmo Sol ativo também afeta outros planetas, mas a resposta de cada um depende da sua atmosfera e do seu ambiente magnético. Marte não tem um campo magnético global semelhante ao da Terra. Por isso, as partículas solares podem afetar uma parte muito maior da sua atmosfera.
Durante um período de forte atividade solar, em maio de 2024, a sonda espacial MAVEN da NASA observou auroras ultravioletas em todo o planeta Marte, enquanto o rover «Curiosity» registou níveis de radiação mais elevados à superfície. Estas observações relacionaram uma erupção solar com medições noutro mundo.[26]
Na exploração do espaço para além da Terra, compreender as interações entre o Sol e os planetas ajuda a interpretar medições científicas e a planear as atividades de naves espaciais e tripulações. A investigação da NASA sobre meteorologia espacial abrange também estas aplicações mais amplas no Sistema Solar.[1]
Assim, regressamos a um princípio que já conhecemos: a distância, por si só, não determina o resultado. Também são importantes os campos magnéticos, as atmosferas, o percurso da perturbação e o sistema com que esta interage.
Fontes e leituras complementares
Investigação científica original e materiais explicativos preparados por instituições, que fundamentam os processos físicos, os métodos de previsão e os exemplos históricos descritos neste artigo.
- NASA – Meteorologia espacialA influência do Sol no ambiente espacial, na tecnologia e na exploração espacial.
- Centro Marshall da NASA – Mecanismo de dínamo solarComo os fluxos de plasma condutor de eletricidade, a rotação diferencial e a convecção regeneram o campo magnético do Sol; o mecanismo de dínamo continua a ser objeto de investigação ativa.
- Centro Marshall da NASA – Estruturas da fotosferaUmbra e penumbra das manchas solares, as suas temperaturas e campos magnéticos, e a granulação visível na fotosfera.
- Centro Marshall da NASA – Ciclo das manchas solaresCiclo das manchas solares de cerca de onze anos e bandas de latitude que se deslocam em direção ao equador no diagrama de borboleta.
- NASA – O Sol está a causar o aquecimento global?Distingue a variabilidade solar das causas do aquecimento global recente.
- NASA – Tempestades solares e erupçõesIntrodução ilustrada que explica as diferenças entre a luz das erupções, as partículas de alta energia e as ejeções de massa coronal, bem como os diferentes tempos que demoram a propagar-se.
- Centro de Previsão do Tempo Espacial da NOAA – Erupções solares (interrupções das comunicações por rádio)Duração e classificação das erupções, de A a X, segundo o fluxo máximo de raios X medido pelo GOES na faixa de comprimentos de onda de 0,1–0,8 nanómetros.
- David V. Reames – Partículas solares de alta energia (2017)Descrição, destinada a especialistas, da aceleração de partículas devido à reconexão magnética e às ondas de choque causadas por CME, incluindo dados sobre a origem de eventos de partículas em grande escala.
- Centro de Previsão do Tempo Espacial da NOAA – Tempestade de radiação solarOs protões solares de alta energia podem chegar em poucas dezenas de minutos ou menos, e as tempestades de partículas podem durar de várias horas a vários dias.
- Centro de Previsão do Tempo Espacial da NOAA – Ejeções de massa coronalNuvens em expansão de plasma e campo magnético, o tempo que demoram a chegar à Terra e ondas de choque capazes de acelerar partículas carregadas.
- NOAA — Escalas do tempo espacialAs escalas distintas R, S e G descrevem perturbações nas comunicações de rádio, tempestades de radiação solar e tempestades geomagnéticas.
- NOAA — Tempestades geomagnéticasTransferência de energia do vento solar, campos magnéticos orientados para sul, fluxos de alta velocidade e alterações no ambiente magnético da Terra.
- NOAA — Introdução às aurorasFormação do brilho das auroras, perturbações recorrentes do vento solar e limites distintos das previsões de curto e longo prazo.
- Centro de Previsão do Tempo Espacial da NOAA — Buracos coronaisAs regiões de campo magnético aberto são uma fonte de fluxos rápidos de vento solar; os buracos coronais de longa duração são frequentes perto do mínimo de atividade solar.
- NOAA — Comunicações de rádio em ondas curtas (HF)Absorção de ondas de rádio no lado diurno da Terra devido à radiação de raios X das erupções solares e absorção em latitudes elevadas devido a protões solares de alta energia.
- NOAA — Cintilação ionosféricaA estrutura fina da densidade de eletrões altera os sinais de rádio e pode perturbar a navegação por satélite.
- NOAA — Arrasto atmosférico sobre os satélitesAquecimento das camadas superiores da atmosfera, aumento da densidade à altitude de voo dos satélites e alterações nas órbitas terrestres baixas.
- NOAA — Transmissão de energia elétricaComo os campos magnéticos variáveis induzem correntes em redes eletricamente condutoras e como o seu impacto depende das características do solo e da rede elétrica.
- NOAA — Sistema especializada em anomalias operacionais de naves espaciais causadas pelo ambiente — em tempo realDistingue a eletrificação da superfície, a eletrificação interna, as perturbações causadas por partículas isoladas e os efeitos cumulativos da radiação.
- NASA CCMC — Modelo WSA–Enlil no centro SWPCOs mapas magnéticos e os parâmetros das ejeções de massa coronal (CME) determinados com base em dados de coronógrafos são utilizados como dados de entrada para o modelo de propagação do vento solar; as suas previsões continuam sujeitas a incertezas nos dados de entrada e na geometria.
- Green e Boardsen (2006) — Duração e dimensão da grande tempestade de auroras de 1859Observações históricas de auroras, do campo magnético e do funcionamento do telégrafo durante as perturbações de 1859.
- Boteler (2019) — Uma perspetiva do século XXI sobre a tempestade magnética de março de 1989Reconstitui o desenvolvimento da tempestade e o seu impacto no sistema da «Hydro-Québec» e noutras redes elétricas.
- NOAA — Recordar as grandes tempestades solares de HalloweenAnalisa as erupções de 2003 e o seu impacto nas naves espaciais, nas comunicações e nas infraestruturas.
- ESA — A tempestade solar de maio de 2024: respostas às suas perguntasExplica as auroras, a expansão da atmosfera e os desafios operacionais durante a tempestade.
- Love et al. (2024) — Sobre a incerteza da estimativa da intensidade da tempestade de Carrington de 1859Mostra como a incerteza sobre a intensidade das tempestades históricas afeta as estimativas da frequência de eventos extremos.
- NASA observa Marte a iluminar-se durante uma impressionante tempestade solarMedições da radiação e das auroras disseminadas em Marte durante a atividade solar de maio de 2024.
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