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As erupções solares acontecem quando um grande fluxo de radiação emitida pelo Sol atinge o campo magnético e a atmosfera da Terra. O distúrbio ocorre quando há ejeções maciças de massa da coroa solar. Quando fortes rajadas de vento solar atingem a Terra, as ondas de radiação se chocam com a magnetosfera, alterando a intensidade e a direção do campo magnético terrestre. Em casos extremos pode causar quedas de energia elétrica, interferência no funcionamento dos satélites de comunicações e de instrumentos de navegação, com efeitos imprevisíveis sobre o clima. As auroras boreais e austrais são espetáculos luminosos que ocorrem com as tempestades geomagnéticas.
Tudo começa na nossa estrela
No princípio era uma imensa nuvem de gases e poeira. Ao longo de milhões de anos essa gigantesca nuvem foi se contraindo e se adensando, até formar o Sol. Do material que sobrou, formaram-se os planetas e outros astros do Sistema Solar.
A energia do Sol é gerada pela fusão nuclear no seu núcleo. Fusão é a colisão de átomos em alta temperatura e velocidade que os tornam um único átomo e liberam energia. Ou seja, o Sol é uma usina nuclear natural a 150 milhões de quilômetros.
O Sol é uma bola de plasma (o quarto estado da matéria - sólido, líquido, gasoso e plasma). As condições de pressão extrema e temperaturas inimagináveis transformam o hidrogênio em hélio. Calcula-se que a cada segundo 700 milhões de toneladas de hidrogênio são transformadas em hélio.
Erupção Solar
As erupções solares são explosões na superfície do Sol causadas por mudanças repentinas no seu campo magnético. A atividade na superfície solar pode causar altos níveis de radiação no espaço sideral. Esta radiação pode vir como partículas ( plasma ) ou radiação eletromagnética ( luz ). O Sol libera porções de energia eletromagnética quando uma gigantesca quantidade de energia armazenada em campos magnéticos, acima das manchas solares, explode, produzindo um forte pulso de radiação que abrange espectro eletromagnético, desde as ondas de rádio até os raios X e raios gama.
Os gases emergem da superfície e são lançados na coroa solar, onde atingem temperaturas de mais de 1,5 milhões de graus centígrados, formando arcos chamados anéis coronais, enormes bolhas de gases ionizados com até 10 bilhões de toneladas. Depois, esfriam e voltam a se chocar com o Sol a uma velocidade próxima a 100 quilômetros por segundo.
As ejeções de massa coronal, que são partículas de altas energias, lançadas no espaço interplanetário podem transportar 10 bilhões de toneladas de gás eletrizado e superam a velocidades de um milhão de quilômetros por hora. Quando atingem a Terra, a magnetosfera do planeta desvia a maior parte da radiação, mas uma parte pode chegar à atmosfera superior, causando as tempestades geomagnéticas. As erupções solares são classificadas de acordo com o seu brilho em raios X no intervalo de comprimento de onda que vai de 1 a 8 Ångstroms.
Existem três categorias de "erupções":
- Erupções classe X: são importantes e grandes erupções que podem desencadear a suspensão de diversas atividades eletromagnéticas, suspender as transmissões das estações de rádio em todo o planeta e produzir tempestades de radiação de longa duração.
- Erupções classe M: são erupções de média intensidade que afetam as regiões dos pólos e rápidos bloqueios nas emissões radiofônicas.
- Erupções classe C: são pequenas erupções e não afetam o planeta.
Em ciclos que duram em média 11 anos, o Sol passa por períodos de diminuição e aumento de suas atividades. Na superfície do Sol ou fotosfera, onde a temperatura superficial é de aproximadamente 6.000 graus celsius, é onde são observados os fenômenos. Nos períodos de aumento da atividade, as explosões de plasma na superfície do Sol podem levantar uma nuvem de partículas treze vezes maior que a Terra e lançar uma bolha para o Sistema Solar a mais de 1,6 milhão km/h. O fenômeno conhecido como vento solar, arrasta gases evaporados dos planetas, poeira meteórica e raios cósmicos de origem galáctica. Quando interage com o campo magnético da Terra, provoca as tempestades geomagnéticas.
Manchas solares
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Logo após a invenção do telescópio, Galileu Galilei fez suas primeiras observações de manchas solares em 1611. Entre 1645 e 1715 poucas manchas solares foram observadas na superfície do Sol e em memória ao astrônomo que as estudou é chamado de Mínimo de Maunder. No Máximo, podem existir centenas de manchas em qualquer dia.
Por volta de 1843, o astrônomo amador Samuel Heinrich Schwabe descobriu que os números de manchas solares seguiam um ciclo de aproximadamente 11 anos, alterando entre máximos e mínimos. Descobriu-se então, que havia uma relação entre o número de manchas e erupções solares. Quanto maior o número de manchas, maior o número de erupções no Sol. Em geral as manchas solares se desenvolvem em pares e algumas manchas já observadas cobriam uma área maior que a do planeta Júpiter.
As zonas mais frias do Sol, denominadas de manchas solares, são intensos campos magnéticos que atraem e acumulam uma camada de plasma que impede a saída de prótons e elétrons emitidos, quando a pressão rompe a bolha formada ocorre a erupção solar. Estas regiões escuras na superfície do Sol, aproximadamente 1500°C mais frias, não surgem aleatoriamente em qualquer ponto. Primeiro aparecem nas latitudes médias do Sol, acima e abaixo do equador, e vão se expandindo, com o aumento da atividade solar, em direção ao equador.
Vento solar
A matéria jetada pelo Sol e que se desloca pelo espaço interplanetário é chamada de vento solar. O vento solar é formado por partículas de altas energias, atômicas e subatômicas, consistindo de elétrons, prótons e núcleos de Hélio, aceleradas acima da velocidade de escape gravitacional do Sol. Quando a atividade solar não é significativa, o vento solar é uniforme e com velocidade aproximada de 400 km por segundo. Mas quando há distúrbios solares violentos, o vento solar pode alcançar velocidades muitas vezes superiores as observadas normalmente.
magnetosfera e vento solar
Nosso escudo protetor
Campo magnético da Terra
A Terra recebe radiação de diferentes energias e origens do espaço, mas sua superfície está razoavelmente protegida por diversas camadas da atmosfera. A magnetosfera funciona como um escudo protetor de plasma, onde partículas carregadas são controladas pelo campo magnético que desvia a maior parte das partículas energéticas que chegam ao planeta. Um fluxo de radiação eletromagnética emitida pelo Sol chega à Terra constantemente e sofre influência do campo geomagnético e da atmosfera terrestre, que impedem que o planeta seja atingido diretamente e fazendo com que o vento solar flua em torno do campo.
Mas a magnetosfera pode se tornar perturbada e alterar sua intensidade e direção quando o Sol apresenta um número grande de erupções e nuvens de partículas solares de alta velocidade atingem o planeta. A radiação transborda a magnetosfera e ioniza outras regiões da atmosfera trazendo diversas conseqüências eletromagnéticas e climáticas.
Conseqüências
A radiação solar pode chegar à Terra em uma ou duas horas após uma grande erupção solar, em seguida as "nuvens de partículas" de alta energia atingem o planeta durante alguns dias. Alguns dias depois são as partículas de média e baixa energia que conseguem penetrar em maior número a magnetosfera, provocando uma tempestade geomagnética. Nestas ocasiões as radiações atingem a baixa atmosfera, criando cargas elétricas isoladas que são descarregadas, causando interferências eletromagnéticas.
Elétricas
As intensidades das tempestades geomagnéticas, desde fracas até muito fortes, podem causar diferentes danos elétricos, principalmente nas latitudes altas, onde se concentram seus efeitos. O fluxo magnético vindo do Sol pode provocar fortes ondas de descarga elétrica nos cabos de transmissão de força, causando: curtos-circuitos, queima de equipamentos, panes em sistemas elétricos e redes de distribuição de energia, prejudicando circuitos integrados, computadores de bordo, satélites, foguetes etc. Em caso extremo podem causar blecautes nos sistemas de transmissão e nos transformadores de energia elétrica das cidades, com muitos prejuízos para indústrias, residências, hospitais e empresas. Em 1989 uma tempestade impediu o funcionamento de usinas nucleares nos EUA, isso pode deixar grandes regiões sem energia elétrica por semanas. Também pode haver indução de tensão ao longo de condutores ao nível de aterramento, afetando linhas de dutos de gás e petróleo.
Telecomunicações
A radiação de uma tempestade geomagnética afeta os equipamentos eletrônicos dos satélites, prejudicando as comunicações. Os sistemas, cada vez mais, miniaturizados se tornam mais vulneráveis e microchips danificados podem mudar comandos de softwares nos computadores de bordo. Em uma tempestade geomagnética as camadas superiores da atmosfera se aquecem e se expandem, e podem mudar a altura, retardar ou modificar a órbita dos satélites que podem ser danificados ou perdidos com o decaimento de suas órbitas. Esse foi um dos motivos da queda do laboratório de estudos norte-americano Skylab, em 1979. Os satélites que passam pela América do Sul estão mais suscetíveis a problemas pela anomalia magnética do Atlântico Sul, que permite que as partículas energéticas emitidas entrem com mais facilidade na região. Os sistemas de comunicação como TV a cabo e aparelhos celulares, que operaram por sinais de satélites, pode sofrer interferências. Nas tempestades geomagnéticas a ionosfera se altera, devido as correntes e as partículas de energia, afetando negativamente as comunicações e rádio navegação. Algumas interferências pelas ondas geradas agem como ruído nas freqüências e pode ser observada na tela da TV ou nas transmissões de rádio, isso degrada os sinais utilizados pelo GPS e outros sistemas de navegação, que perdem o sinal e tem sua precisão comprometida.
As linhas de telégrafo também já foram afetadas por tempestades geomagnéticas no passado.
Na camada chamada ionosfera, que está entre 50 e 500 km de altitude, o gás rarefeito da atmosfera terrestre é ionizado pela luz do Sol. Graças à ionosfera as ondas de rádio são refletidas, principalmente as chamadas “ondas curtas”, e podem circular ao redor da Terra, mesmo sem a ajuda de satélites.
A propagação das ondas de rádio na ionosfera é afetada por um grande numero de fatores físicos: raios cósmicos, partículas atômicas, radiação solar e outros. Durante períodos de grande atividade solar, a intensidade dos raios X que ionizam a atmosfera pode aumentar rapidamente, ionizando uma quantidade anormal de átomos e criando uma barreira aonde os sinais de rádio vindo de fora não entram e sinais originados na Terra não saem. Em períodos de máxima atividade solar, várias interrupções nas transmissões das ondas curtas, que podem ir de vários minutos a mais de uma hora, são observadas. Nesses períodos os radioastrônomos ficam também impossibilitados de receber sinais de rádio do espaço exterior, principalmente durante o dia, quando a ionosfera fica ainda mais densa.
Quando as partículas eletricamente carregadas, que são expelidas pelo Sol durante uma erupção solar, chegam à Terra, a maior parte é desviada, mas quando parte consegue penetrar através da magnetosfera, chocam-se com os átomos de oxigênio e nitrogênio da atmosfera produzindo uma radiação no comprimento da onda da luz visível. Essa radiação é atraída pelo campo magnético do planeta para as regiões mais frágeis que são os pólos. Então, luzes coloridas surgem no céu causando um belo espetáculo chamado Aurora.
Durante diversas horas as auroras podem ser vistas em vários países localizados em alta latitude como Suécia, Finlândia, Noruega, Escócia e nas regiões norte dos Estados Unidos e Canadá. Quanto maior a atividade solar, mais intensa são as auroras. Quando aparecem próximas ao pólo norte são chamadas de Auroras Boreais e quando aparecem próximas ao pólo sul são chamadas de Auroras Austrais.
Em geral essas luzes são observadas em uma altitude aproximada de 60 km. As auroras podem apresentar forma variada como arcos, estruturas em bandas, raios, lâminas etc. Ao serem excitados pelos elétrons de alta velocidade do vento solar o espectro de radiação eletromagnética varia de infravermelho ao ultravioleta.
O espectro visível é dominado pela luz branca e verde produzidas pelas moléculas de oxigênio excitadas e luz cor de rosa emitida pelo nitrogênio. Mas as cores também podem ser amarela, vermelha, roxa e, com menos ocorrência, azul. As tempestades geomagnéticas produzem auroras multicoloridas e quando atingem uma intensidade muito alta as luzes passam a ser avermelhadas decorrentes da excitação dos átomos de nitrogênio.
Perigos da radiação
Partículas de alta energia liberadas pelas erupções solares podem ser tão prejudiciais aos seres humanos quanto a radiação das explosões nucleares. A atmosfera e a magnetosfera da Terra em geral permitem a proteção adequada dentro de seus limites, mas os astronautas no espaço estão sujeitos a doses potencialmente letais de radiação. A penetração de partículas de alta energia em seres vivos pode causar danos aos cromossomos, o câncer, e muitos outros problemas de saúde e doses grandes podem ser fatais imediatamente. Os prótons solares com energias superiores a 30 Megaeletronvolts (MeV) são particularmente perigosos. Em outubro 1989, o Sol emitiu partículas suficientes para matar um astronauta desprevenido sobre a superfície da Lua. Os astronautas na Estação Espacial Mir foram expostos a doses diárias de aproximadamente duas vezes a dose que receberiam em um ano em terra, apesar do campo magnético terrestre se estender a uma distancia suficiente para protegê-los. Durante a tempestade solar no fim de 1989 absorveram a dose de radiação anual em apenas algumas horas. A ISS possui um compartimento especial, dotado de grossas paredes, onde os astronautas ficam confinados sempre que se observa alguma atividade mais forte no Sol.
Os raios cósmicos e, principalmente, a radiação do Sol, podem causar sérias doenças aos astronautas, podendo levá-los à morte, por isso a previsão do tempo espacial é critico para prever com antecedência segura as ondas de radiação que ameacem os astronautas e os equipamentos das espaçonaves. Para que astronautas viagem à Lua ou Marte, em segurança, será necessário que a espaçonave possua um compartimento totalmente blindado para que possam se proteger das radiações intensas.
As partículas mais perigosas são os íons - átomos que perderam um ou mais de seus elétrons. Íons de alta energia podem danificar os tecidos e quebrar as cadeias de DNA, causando problemas de saúde que vão dos enjôos até a catarata e o câncer.
Cientistas descobriram, através do observatório Soho, que nuvem de íons, grande causadora de danos à satélites e seres humanos, é emitida pelo Sol junto com uma nuvem de elétrons. Felizmente a nuvem de elétrons viaja com mais velocidade no espaço do que a nuvem de íons, chegando primeiro na Terra. Com a detecção antecipada dos elétrons é possível prever a carga de íons que virá. A descoberta foi feita através de um equipamento a bordo do Soho, chamado COSTEP (Comprehensive Suprathermal and Energetic Particle Analyzer), que é capaz de contar as partículas que vêem do Sol e medir sua energia.
Até passageiros de aviões sofrem algum risco. Os eventos solares também podem produzir radiações elevadas a bordo de aviões voando em grandes altitudes. Embora estes riscos sejam pequenos, eles podem receber uma dose de radiação equivalente aos raios-x médico.
A monitoração dos eventos solares permite que a exposição ocasional seja monitorada e avaliada, e eventualmente que a trajetória e a altitude dos vôos sejam ajustadas, a fim de baixar as doses absorvidas pelos passageiros.
Existem evidências de que mudanças no campo geomagnético afetem sistemas biológicos. Estudos indicam que o sistema biológico humano pode ser suscetível às flutuações no campo geomagnético. Outro efeito observado foi a dificuldade de orientação dos pombos correio durante tempestades geomagnéticas. Os pombos e outros animais migratórios, tais como golfinhos e baleias, possuem bússolas biológicas internas compostas de magnetita.
A importância da monitoração
Existem vários equipamentos para medir as variações do campo geomagnético, instalados tanto na Terra como no espaço. A monitoração e as transmissões de alertas geofísicos são muito importantes para que providências possam ser tomadas com antecedência contra os efeitos nocivos das tempestades geomagnéticas. Um aviso antecipado de uma eminente tempestade geomagnética permite que as distribuidoras de energia elétrica, por exemplo, evitem danos em suas redes e que satélites, naves espaciais e astronautas possam ser protegidos. Magnetômetros são práticos e versáteis instrumentos de medidas de campos magnéticos. Estes aparelhos são aptos em medir campos magnéticos de intensidade mínima e monitorar suas variações.
Sensores na Terra e no espaço observam continuamente porções especificas do espectro de energia do Sol para monitorar os seus níveis e indicações de eventos significativos. Uma importante ferramenta de monitoração é o satélite Soho, que atua na posição intermediária entre a Terra e o Sol e detecta as explosões na superfície solar, avisando com antecedência a chegada de tempestades radioativas à Terra.
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