Tempestades Geomagnéticas

Uma tempestade geomagnética é uma perturbação temporária da magnetosfera da Terra (figura abaixo).

Associada com ejeções de massa coronal, buracos coronais, e ventos solares, uma tempestade geomagnética é causada por uma onda de choque do vento solar que normalmente atinge o campo magnético da Terra de 36 a 72 horas após o evento, isto é, tempo estimado para cruzar os 150 milhões de quilômetros que separam o Sol do nosso planeta.
Vento solar: O vento solar é uma corrente de partículas carregadas (plasma) que são ejetados da camada superior da atmosfera de uma estrela, no nosso caso, o Sol.
Explosão solar:  A explosão solar é uma explosão violenta na atmosfera do Sol com uma energia equivalente a milhões de bombas de hidrogênio.

Tempestades geomagnéticas têm duas causas básicas. Vamos lembrar que o Sol está sempre emitindo um vento de partículas carregadas que flui para o espaço longe do Sol. Ocasionalmente, o Sol emite uma onda forte de vento solar (ejeção de massa coronal). Quando esta rajada de vento solar impacta sobre a parte exterior do campo magnético da Terra, a magnetosfera, o campo é perturbado e ela sofre uma oscilação. Isto faz com que aconteça um geração de correntes eléctricas no ambiente do espaço perto da Terra, que, por sua vez, gera campo magnético adicionais e com variações , a chamada tempestade geomagnética.

A segunda causa das tempestades magnéticas é a ligação direta ocasional do campo magnético do Sol com o do da Terra. Esta ligação  magnético direta não é o estado normal das coisas, mas quando ocorre, partículas carregadas, viajando ao longo de linhas de campo magnético, pode facilmente entrar na magnetosfera e gerar correntes fazendo com que ocorra variações no campo magnético. O Sol emite uma ejeção de massa coronal no momento em que as linhas de campo magnético da Terra e o Sol estão diretamente conectados. Então, podemos experimentar uma tempestade geomagnética verdadeiramente grande
.

A infra-estrutura e atividades de nossa sociedade moderna podem ser afetados pelas rápidas variações de campo magnético gerado por correntes elétricas no ambiente do espaço próximo à Terra, particularmente na ionosfera e magnetosfera. Os satélites, que por estarem em órbita não recebem a proteção das camadas mais altas da atmosfera, que bloqueiam as partículas solares, principalmente os raios-x, desse modo estão expostos a essa alta carga de radiação. Problemas com propagação em Ondas Curtas (HF). Radionavegação em ondas médias e longas  se tornam-se impossíveis. Auroras boreais são vistas em latitudes mais baixas (45º). Redes de distribuição podem entrar em colapso, provocando blecautes. Transformadores podem ser danificados ou destruidos como o da figura acima.

Campo magnético da Terra

O campo magnético da terra ou magnetosfera é bem parecido com o campo magnético de um ímã, pois suas linhas de campo saem do norte magnético e chegam ao polo sul magnético do planeta. Basicamente, é bipolar (ou seja, ele tem dois pólos, que são o norte e sul, polos magnéticos).

Na década de 1830 o matemático e astrônomo alemão Carl Friedrich Gauss estudou o campo magnético da Terra e concluiu que o principal componente bipolar teve sua origem no interior da Terra, em vez de fora. Ele demonstrou que o componente bipolar era uma função decrescente inversamente proporcional ao quadrado do raio da Terra, uma conclusão que levou os cientistas a especular sobre a origem do campo magnético terrestre, em termos de ferromagnetismo (como em uma enorme barra magnética) Nota: ferromagnetismo e rotação são geralmente desacreditados devido ao ponto de Curie (a altas temperatura o ferromagnetismo é destruído) Os modelos geomagnéticos formam a base da bússolas tradicionais, baseados em sistemas de navegação. Estes modelos fornecem uma imagem do campo magnético da Terra e como ela varia de um ponto na superfície da Terra para outro. O modelo do campo geomagnético Internacional de Referência (IGRF), compilado a partir de medidas magnéticas recolhidos por observatórios em muitos países, bem como as leituras feitas a partir de navios, aviões e satélites
.

O modelo, derivado por meio da análise matemática de uma vasta quantidade de dados, representa o campo magnético gerado no núcleo da Terra, com variações de pequena escala na superfície e os efeitos solares. O modelo geomagnético desempenha um papel vital em vários tipos de levantamentos magnéticos, como os utilizados em exploração mineral e no mapeamento de falhas tectônicas que causam terremoto. O campo magnético da Terra é gerado dentro do seu núcleo de ferro fundido através de uma combinação do movimento térmico, rotação diária da Terra, e as forças elétricas no interior do núcleo. Estes elementos formam um dínamo que sustenta um campo magnético que é semelhante ao de uma barra magnética ligeiramente inclinado para uma linha que une o Norte ao Sul. O campo magnético da terra é observado e estudado de várias maneiras. Os observatórios magnéticos e suas localizações são mostrados na figura abaixo:

Como podemos ver no mapa, a distribuição espacial dos observatórios é bastante irregular, com uma concentração na Europa e uma carência em outras partes do mundo, em particular nas áreas oceânicas. Os satélites que fornecem dados vetoriais valiosos para modelagem geomagnética de campo são o Magsat (1979 a 1980), o Orsted e CHAMP que foram lançados em 1999 e 2000, respectivamente. Essa breve introdução ao estudo do geomagnetismo é nescessária para entender como esse fenômeno pode protejer a terra das tempestades solares e etc.. A variação diária regular o campo magnético da Terra também apresenta distúrbios irregulares, e quando estes são grandes eles são chamados de tempestades magnéticas. Esses distúrbios são causados pela interação do vento solar, com o campo magnético da Terra. O vento solar é uma corrente de partículas carregadas continuamente emitidos pelo Sol e sua pressão sobre o campo magnético da Terra cria uma região delimitada em torno da Terra, chamada de magnetosfera. Quando há um distúrbio no vento solar os sistemas atuais existentes dentro da magnetosfera são potencializadosdos e causam perturbações magnéticas e tempestades. A Figura abaixo mostra uma imagem esquemática do vento solar e a magnetosfera da Terra.

Nota: Os cientistas sabem agora que o campo magnético da Terra está diminuindo a uma taxa de cerca de 0,5% por década. Se esta tendência continuar, o campo magnético pode reverter, ito é, o Pólo Norte torna-se o Pólo Sul e vice-versa. Tais eventos podem ocorrer uma vez a cada 300.000 anos mais ou menos, com a reversão real levando milhares de anos para ser concluído. No entanto, não se sabe se um declínio da força do campo magnético terrestre é inevitável.

Auroras Boreal e Austral

Muita gente pergunta…O que causa as Auroras Boreal e Austral…? Vamos a um “nano” resumo de como esse fenômeno acontece… Ela começa com uma erupção solar, com um fluxo de vento solar de alta velocidade, com uma tempestade de radiação solar ou uma ejeção de massa coronal (CME).
A aurora boreal se forma quando partículas carregadas (prótons ou elétrons) emitidas pelo sol durante uma tempestade solar penetram o escudo magnético da Terra (magnetosfera) e colidem com átomos e moléculas na nossa atmosfera. Essas colisões resultam em inúmeras pequenas explosões de luz, chamadas fótons, que compõem a aurora.

Colisões com oxigênio produzem auroras vermelhas e verdes, enquanto o nitrogênio produz cores rosa e roxo. Esta reação são mais comuns nas regiões polares da Terra e ocorre a uma altitude que varia entre 65Km a 100 km e as vezes acima disso, em uma zona chamada de “Aurora Oval.”
As auroras boreais ocorrem mais comumente em latitudes entre 60 ° e 75 °, mas durante grandes tempestades geomagnéticas as Auroras podem ser observada em latitudes médias como por exemplo, a 30 ° de latitude ou mais. No hemisfério norte, eles são chamadas de Aurora boreal (luzes do norte) e no sul do hemisfério são chamadas de Aurora Austral (Australis, luzes do sul).

O Vento Solar

O Vento Solar foi inicialmente estudado para explicar as auroras (perturbação geomagnética), e a inclinação das caudas dos cometas, e foi observado pela primeira vez pela espaçonave Russa Luna 2 em 1959 e Explorer 10 em 1961. O vento solar é um gás coronal ejetado do Sol.
O plasma da coroa solar é tão quente que a gravidade do Sol não pode segurá-lo por muito tempo. Em vez disso, as franjas superiores fluem em todas as direções, em um fluxo constante de partículas conhecidas como Vento Solar. Movendo-se a cerca de 400 km/s em média, o vento solar pode atingir a Terra de 3 a 4 dias. O vento solar consiste em partículas ionizadas e campos magnéticos produzindo tempestades magnéticas na magnetosfera da Terra.

O Vento solar exerce uma pressão sobre o campo magnético terrestre comprimindo-o e criando uma longa cauda do lado oposto. Esta “capa” magnética e complexa é conhecido como Magnetosfera. Quando as partículas provenientes do Sol (elétrons e prótons) impactam a Magnetosfera, geram correntes elétricas e plasmas na camada mais exterior da atmosfera terrestre, a Ionosfera, provocando as Auroras Boreais e Austrais por excitação dos átomos de gás. O sol ejeta 1 milhão de toneladas de matéria para o espaço (Plasma) a cada segundo. Chamamos este material de vento solar.

O vento solar é um fluxo de partículas carregadas e energizadas, principalmente elétrons e prótons, que flui para fora do Sol, através do sistema solar. A temperatura e velocidade podem variar ao longo do tempo, podendo atingir 300 a 800 km/s, a uma temperatura de 1 milhão de graus (Celsius). O vento solar se estende para o espaço cerca de 100 UA (uma unidades astronômicas = distâncias Terra-Sol = 150.000.000Km), o que equivale a distância do Sol até a órbita de Netuno ou até Plutão, ponto em que colide com o meio interestelar. A região onde o vento solar é dominante é conhecido como heliosfera. O vento solar é feito de hidrogênio (95%), Hélio (4%), carbono, nitrogênio, oxigênio, néon, magnésio, silício e ferro ( 1%).

Estes átomos estão todos na forma de íons positivos, o que significa que perderam elétrons porque as temperaturas são muito elevadas. Alguns eventos explosivos como erupções solares e ejeção de massa coronal (CME) no Sol podem produzir velocidades superiores a 1000 km/s. Efeitos das tempestades solares: A aurora boreal (as luzes do norte) e aurora austral (as luzes do sul). Interferência em rádios e televisões. Perigo para astronautas e naves espaciais. Oscilações de correntes nas usinas de força, prejudicando o fornecimento de energia elétrica. Sistemas de navegação. Satélites dependendo da sua altitude, os componentes eletrônicos, as baterias solares podem ser danificadas. O clima espacial afeta os satélites em missões de diversas formas, dependendo da órbita e da função do satélite. Muitos sistemas de comunicação utilizam a ionosfera para refletir sinais de rádio a longas distâncias.
Tempestades ionosféricas podem afetar a comunicação por rádio em todas as latitudes.

O vento solar pode ser dividido em vento solar rápido e vento solar lento. O vento rápido são típicos dos buracos coronais, regiões mais frias e menos densas da coroa solar, podendo atingir picos de velocidade da ordem de 900 km/s. Estão associados a linhas de campo magnético “abertas”, muito parecido com pólos magnético, facilitando assim o escape das partículas carregadas.
O vento lento se origina em regiões de baixas latitudes, portanto mais próximas ao equador do Sol, atingindo velocidades aproximadas de de 300 km/s. Em geral o vento solar lento é mais denso e apresenta um comportamento mais irregular. Sendo o vento solar um plasma altamente condutor, ele transporta consigo as linhas de campo magnético do Sol. Esse fenômeno é conhecido como “congelamento” das linhas de campo magnético.

O que é Plasma ?
Lembrando: os estados da matéria – sólido, líquido e gasoso, mas em 1879 o físico Inglês William Crookes identificou um quarto estado da matéria, uma forma de gás ionizado. O Universo é composto de aproximadamente 99% de plasma. No meio interestelar o plasma é de baixa temperatura e baixa densidade, enquanto no interior das estrelas ele é extremamente quente e denso. A auroras boreais são um exemplo clássico de plasma de baixa temperatura e baixa densidade. O Plasma pode ser acelerado e dirigido por campos elétricos e magnéticos. O Sol, como todas as estrelas que emitem luz se encontram no quarto estado da matéria. Na ionosfera terrestre, temos o surgimento das auroras, que é um plasma natural, assim como o fogo. São sistemas compostos por um grande número de partículas carregadas, distribuídas dentro de um certo volume onde haja a mesma quantidade de cargas positivas e negativas. Um modo de criar um plasma é aquecendo um gás. Tal aquecimento pode-se realizar por meio de um campo elétrico externo aplicado ao gás. A parte externa da atmosfera da Terra (magnetosfera) é constituída pelo plasma, o meio intestelar, ou seja o espaço entre estrelas e planetas, também é constituído por gás ionizado, mesmo que de uma densidade muito baixa. Um exemplo de plasma cósmico é o vento solar.

Efeitos das tempestades solares
A aurora boreal(as luzes do norte) e aurora austral (as luzes do sul).
Interferência em rádios e televisões.
Perigo para astronautas e naves espaciais.
Oscilações de correntes nas usinas de força, prejudicando o fornecimento de energia elétrica.
Sistemas de navegação
Satélites dependendo da sua altitude, os componentes eletrônicos, as baterias solares podem ser danificados. O clima espacial afeta os satélites em missões de diversas formas, dependendo da órbita e da função do satélite.
Muitos sistemas de comunicação utilizam a ionosfera para refletir sinais de rádio a longas distâncias.
Tempestades ionosféricas podem afetar a comunicação por rádio em todas as latitudes.