Fenômenos solares e suas repercussões na Terra

Galáxias são extensos sistemas espaciais unidos pela força da gravidade e compostos, principalmente, por gases, planetas, inúmeras estrelas e poeira cósmica formada por partículas sólidas de gelo e pedra. 

* Este artigo foi publicado na Revista Geociências SURA | Edição 5 | Setembro de 2019.

 

O Sol é apenas uma entre mais de 200 bilhões de estrelas que compõem nossa galáxia, a Via Láctea. A partir desse ponto de vista, o Sol não é nada de extraordinário no universo. No entanto para a Terra e os planetas que giram em torno dele, é um centro poderoso, pois mantém o Sistema Solar unido, gera luz, calor e energia vital e é responsável pelo clima espacial.

A atividade associada à dinâmica solar, combinada aos avanços tecnológicos da humanidade, despertou o interesse da comunidade científica de entender, detalhadamente, a física do Sol e as repercussões que ele pode ter no cotidiano da vida na Terra, levando em consideração nossa alta dependência dos sistemas tecnológicos e seu potencial impacto em alguns fenômenos que ocorrem nessa grande estrela. 

Dinâmica do Sol 

Podemos descrever o clima espacial como o sistema que regula as condições ambientais existentes entre o Sol e a Terra. O clima espacial refere-se aos fenômenos energéticos que ocorrem no Sol e afetam sistemas e tecnologias na órbita da Terra e na superfície dela.

Antes de descrever os impactos do Sol na Terra, é necessário fornecer um contexto geral sobre ele e sua dinâmica, a fim de entender melhor os fenômenos que dão origem às possíveis maneiras em que ele pode afetar nosso planeta.

Estrutura do ciclo solar 

Existem muitos tipos de estrelas. Entre elas está o Sol, uma estrela anã amarela, de tamanho médio, que se formou bilhões de anos atrás. O fato de o Sol parecer amarelo é um efeito óptico causado pela atmosfera da Terra, já que os gases que o compõem fazem com que apenas os tons quentes da superfície da Terra sejam percebidos, mas, na realidade, essa estrela brilha em um tom radiante de branco.

O Sol é composto de plasma, ou seja, o quarto estado da matéria, que é gerado quando uma quantidade extrema de calor e energia é inserida no estado gasoso da matéria, resultando em um gás eletricamente carregado. O Sol é capaz de gerar sua própria energia, fundindo os núcleos dos átomos de hidrogênio. 

Como as partículas que compõem o Sol têm uma carga positiva e negativa, ele gera campos magnéticos que, com o movimento do plasma em sua estrutura e diante de temperaturas extremas, causam grandes explosões que são o motor do clima espacial. 

A partir de estudos que foram desenvolvidos sobre o Sol e sua dinâmica, a comunidade científica estabeleceu que a atividade solar tem um ciclo que dura aproximadamente onze anos e é impulsionado por seu campo magnético.

A atmosfera do Sol está sujeita a grandes explosões, como resultado de sua composição e da interação de campos magnéticos gerados por partículas eletricamente carregadas. Cada explosão converte energia magnética em outras formas de energia e faz com que o Sol alcance um estado mais tranquilo. Quando isso ocorre, o Sol experimenta o que é conhecido como “o mínimo solar”, que marca o início de um novo ciclo. Nesse estado, as explosões são menos frequentes, portanto, a Terra tem menos probabilidade de ser afetada pela atividade solar.

Uma vez iniciado um novo ciclo solar, o campo magnético do Sol aumenta sua atividade até atingir o nível máximo, justamente quando apresenta um maior nível de atividade energética, o que aumenta o surgimento de manchas solares. Elas são vistas como regiões escuras na superfície da estrela, porque a quantidade de energia que a área experimenta impede que o calor do interior do Sol emane para a superfície, gerando temperaturas mais baixas do que as do seu entorno.

Um número maior de manchas torna o clima solar mais intenso, o que significa que o Sol emite mais energia e, consequentemente, que os fenômenos que afetam nosso planeta se tornam mais prováveis e comum. 

 

Fenô0menos energéticos associados à dinâmica solar 

Processos associados à física e à dinâmica do Sol geram fenômenos energéticos que repercutem no ambiente espacial que se encontra entre o Sol e a Terra. Os principais fenômenos energéticos que ocorreram no Sol e podem afetar nosso planeta são: 

Erupções solares 

Erupções de radiação eletromagnética que ocorrem na superfície do Sol e podem durar apenas alguns minutos ou, até mesmo, horas. Ocorrem quando as linhas do campo magnético são entrelaçadas, gerando uma ruptura que libera toda a energia armazenada nelas. Visto que a energia eletromagnética viaja na velocidade da luz, o efeito das erupções solares em nosso planeta pode ser percebido minutos depois que o evento ocorre no Sol. 

Ejeções de massa coronal (EMC) 

Grandes emissões de plasma (matéria) e campo magnético que se originam em regiões da atmosfera do Sol que estão magneticamente perturbadas e que, ao longo de várias horas, são expelidas para o espaço. Na maioria das vezes, são precedidos por erupções solares. Essas emissões representam as explosões mais importantes e violentas do Sistema Solar. 

As EMC podem viajar a velocidades que variam de 250 km/s a 3.000 km/s, as mais rápidas podem demorar entre 15 e 18 horas para chegar à Terra, as mais lentas podem demorar vários dias. À medida que vão se afastando do Sol, as ejeções aumentam de tamanho e podem canalizar partículas em direção à Terra, alterando o campo magnético dela e provocando-lhe distúrbios.

Partículas energéticas solares (SEP,na sigla em inglês)

Partículas de plasma altamente carregadas de energia e transportadas pelo vento solar. Por causa da energia liberada, aceleram-se em locais onde ocorrem explosões no sol, como, por exemplo, ejeções de massa e erupções solares.

As partículas podem ser aceleradas a significativas frações da velocidade da luz e o evento pode durar de algumas horas a vários dias. Essas partículas são responsáveis por aumentos repentinos na intensidade da radiação na Terra. 

Vento solar 

Devido à sua composição e atividade superficial, o Sol emite plasma constantemente no espaço. Esse fluxo de partículas é conhecido como “vento solar” e tem grande potencial de afetar a Terra, dependendo da região do Sol em que ele ocorrer, da sua velocidade, da densidade e do campo magnético que ele arrastar. O vento solar que se origina nos polos e nas altas latitudes do Sol é de alta velocidade (pode chegar a 800 km/s), enquanto o vento solar que se origina no equador solar, ou seja, o que chega à Terra, é de baixa velocidade (cerca de 400 km/s).

 

“Quanta energia uma erupção solar pode liberar? Você pode fazer a comparação entre o consumo global anual de energia, que é de aproximadamente 1020 Joules, e uma única erupção solar, que pode liberar 1025 Joules.” 

Antti Pulkkinen, subdiretor do Departamento de Heliofísica da NASA.

 

Impactos da dinâmica solar na Terra 

As consequências da dinâmica solar na Terra podem se manifestar de três formas inter-relacionadas: auroras boreais e austrais, tempestades ionosféricas e tempestades geomagnéticas. Cada uma pode ter um nível de impacto maior em nosso planeta, dependendo da velocidade que esses fenômenos atingirem e da magnitude do impacto. 

 

Auroras boreais e austrais 

Dependendo da gravidade e, em alguns casos, do local do Sol onde ocorrem os fenômenos energéticos, existem diferentes tipos de efeitos na Terra. Os mais conhecidos são as auroras boreais (no hemisfério norte) e as austrais (no hemisfério sul).

As auroras polares são um dos efeitos gerados pela atividade solar. Elas ocorrem devido à colisão de partículas carregadas com a alta atmosfera. 

As partículas carregadas seguem o campo magnético da Terra em direção às regiões polares, onde, quando colidem com átomos e moléculas de oxigênio e nitrogênio, transferem a energia contida neles para a atmosfera da Terra, o que faz com que átomos e moléculas de oxigênio e nitrogênio passem para estados de maior energia e liberem-na em forma de luz.

 

Tempestades ionosféricas 

A ionosfera é a camada da atmosfera que está eletricamente carregada. Por isso, é a camada que tem maior impacto na propagação das ondas eletromagnéticas, o que se traduz em comunicação, seja entre diferentes partes da Terra (por meio de ondas de rádio) ou entre o espaço exterior e o nosso planeta (comunicação via satélite).

A ionosfera é particularmente sensível às variações de energia que entram pelo Sol, podendo mudar a sua própria densidade e afetar a maneira como as ondas eletromagnéticas viajam através dela.

A atividade solar pode fazer com que as ondas de rádio de alta frequência (HF, na sigla em inglês) que viajam por essa camada se degradem ou sejam completamente absorvidas. Isso resulta na interrupção das comunicações de rádio de longo alcance. Essas ondas de alta frequência são usadas por estações de rádio internacionais, estações meteorológicas, comunicação terra-mar na navegação e terra-ar na aviação, rádio cidadã, governamental e militar, alguns sistemas de radar e pelo Sistema Mundial de Socorro e Segurança Marítima (GMDSS, na sigla em inglês).

 

Perturbação do campo magnético da terra 

Tempestades geomagnéticas 

Outro impacto do clima espacial na Terra ocorre a partir da interação entre as grandes explosões que ocorreram no Sol e o comportamento do campo magnético da Terra. As variações no campo magnético do nosso planeta podem ser medidas a partir da superfície da Terra, essas flutuações são chamadas de “tempestades geomagnéticas”.

Quando há uma entrada de massa e energia e um aumento na quantidade de movimento no campo magnético da Terra devido a distúrbios no Sol, que é alterado globalmente pela pressão que o vento solar exerce sobre ele, toda essa interação cria correntes elétricas enormes com amplitudes de milhões de amperes, que fluem através do campo magnético e podem variar em escalas de tempo de segundos. 

Uma tempestade geomagnética pode durar vários dias, porém, depois disso, o campo magnético se recupera gradualmente. Essas mudanças no entorno magnético da Terra podem ter um impacto sobre:

• Comunicações via satélite: sinais de televisão, comunicações e navegação;
• Sistemas de posicionamento global por satélite (GPS): as coordenadas do GPS podem ser desviadas;
• Ondas de rádio de alta frequência: sofrem danos.
• Além disso, mudanças violentas no campo magné- tico fazem com que correntes elétricas sejam levadas a sistemas condutores, como gasodutos, oleodutos, ferro- vias ou sistemas de transmissão de energia de alta tensão.  Conhecidas como correntes geomagneticamente induzidas (GICs), elas produzem corrosão precoce de sistemas condutores, como tubos e linhas de transmissão de energia. Também podem criar flutuações de tensão que colapsam o sistema ou provocar um superaquecimento nos transformadores.

 

Como o mundo está se preparando para enfrentar esses fenômenos?

Os esforços para o gerenciamento e a legislação desse tipo de evento estão aumentando. Nos Estados Unidos, por exemplo, são concentrados em grupos de pesquisa e desenvolvimento, setores econômicos, centros de pesquisa e previsão e entidades governamentais, cada uma com um papel específico.

Por outro lado, o setor de transmissão de energia concentra-se em pensar como os sistemas de energia (geração, transmissão e distribuição) podem ser construídos de forma resiliente, tentando reduzir o impacto de eventos em que a rede é perturbada, mas com uma tomada de decisões que lhes possibilite agilidade na antecipação, adaptação e recuperação. 

Os centros de previsão se concentram em: grandes explosões, implementação de novos modelos, melhora da incerteza das previsões e modelagem da resposta da magnetosfera da Terra, ionosfera e distribuição das correntes na Terra diante dos fenômenos energéticos que ocorrerem no Sol. 

Órgãos governamentais que administram emergências concentram-se em: planejamento de respostas imediatas e pronta recuperação diante de eventos desse tipo, direcionando recursos a atividades que estejam enfocadas na preparação, resposta, recuperação e mitigação dos efeitos associados.

O clima espacial despertou um crescente interesse internacional, científico, industrial e público, já que todos os setores dependem de energia elétrica (comunicações, água, saúde, financeiro etc.). Além disso, à medida que a tecnologia avança e permeia a vida cotidiana, as pessoas se tornam mais vulneráveis e adotam novas dinâmicas, em que o clima espacial pode afetá-las diariamente.

Os desafios propostos para o futuro estão intimamente associados a uma melhor interação entre as diferentes disciplinas e à conexão dos esforços que são feitos globalmente para gerar um desenvolvimento conjunto e uma compreensão mais profunda da variedade de processos que conectam a atividade solar às atividades cotidianas na terra.

Fontes

• Antti Pulkkinen. Mestre e doutor em Física pela Universidade de Helsinque. 
• Luisa Fernanda Vallejo. Engenheira civil pela Escola de Engenharia de Antioquia e mestre em recursos hidráulicos pela Universidade Nacional da Colômbia.