Missão da Nasa ajuda a esclarecer mistério de auroras

“Colares de pérolas” que antecedem grandes auroras são causados por turbulências no plasma que cerca a Terra, de acordo com modelos de computador e dados da missão Themis

"Colar auroral" visto da Estação Espacial Internacional em 17 de setembro de 2011. Crédito: Nasa

Um tipo especial de aurora, projetada de leste a oeste no céu noturno como um colar de pérolas brilhante, está ajudando os cientistas a entender melhor a ciência das auroras e suas poderosas forças motrizes no espaço. Conhecidas como “contas aurorais”, essas luzes geralmente aparecem logo antes de grandes exibições de auroras, que são causadas por tempestades elétricas no espaço chamadas subtempestades. Anteriormente, os cientistas não tinham certeza se as contas aurorais estão associadas a outras exibições de auroras como um fenômeno no espaço que precede as subtempestades, ou se são causadas por distúrbios próximos à atmosfera da Terra.

Novos e poderosos modelos de computador, combinados com observações da missão Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms (Themis), forneceram a primeira forte evidência dos eventos no espaço que levam ao aparecimento dessas contas e demonstraram o importante papel que elas desempenham no ambiente espacial próximo à Terra.

“Agora sabemos com certeza que a formação dessas contas é parte de um processo que precede o desencadeamento de uma subtempestade no espaço”, disse Vassilis Angelopoulos, pesquisador principal da missão Themis na Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA). “Esta é uma nova peça importante do quebra-cabeça.”

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Melhor compreensão

Ao fornecerem uma imagem mais ampla do que pode ser visto com as três espaçonaves Themis ou por observações de solo isoladamente, os novos modelos mostraram que as contas aurorais são causadas por turbulência no plasma – um quarto estado da matéria, feito de partículas gasosas e altamente condutoras carregadas – que cerca a Terra. Os resultados, publicados recentemente nas revistas “Geophysical Research Letters” e “Journal of Geophysical Research: Space Physics”, ajudarão os cientistas a compreender melhor toda a gama de estruturas em espiral vistas nas auroras.

“As observações da Themis agora revelaram turbulências no espaço que causam fluxos vistos iluminando o céu como pérolas únicas no brilhante colar auroral”, disse Evgeny Panov, autor principal de um dos novos artigos e cientista da Themis no Instituto de Pesquisa Espacial da Academia Austríaca de Ciências. “Essas turbulências no espaço são inicialmente causadas por elétrons mais leves e ágeis, movendo-se com o peso de partículas 2 mil vezes mais pesadas, e que teoricamente podem se desenvolver em subtempestades aurorais em escala real.”

Formação misteriosa

As auroras são criadas quando partículas carregadas do Sol ficam presas no ambiente magnético da Terra (a magnetosfera) e são canalizadas para a atmosfera superior do planeta, onde colisões fazem com que átomos e moléculas de hidrogênio, oxigênio e nitrogênio brilhem. Ao modelar o ambiente próximo à Terra em escalas de dezenas de quilômetros a 1,93 milhão de quilômetros, os cientistas da Themis conseguiram mostrar os detalhes de como as contas aurorais se formam.

À medida que nuvens radiantes de plasma expelidas pelo Sol passam pela Terra, sua interação com o campo magnético terrestre cria bolhas flutuantes de plasma atrás do planeta. Como uma lâmpada de lava, os desequilíbrios na flutuabilidade entre as bolhas e o plasma mais pesado na magnetosfera criam faixas de plasma de mais de 4 mil quilômetros de largura que se estendem em direção à Terra. As assinaturas dessas faixas criam a estrutura distinta em forma de conta na aurora.

“Houve uma percepção de que, em suma, esses eventos relativamente pequenos e transitórios que acontecem ao redor da magnetosfera são de alguma forma importantes”, disse David Sibeck, cientista da missão Themis no Centro de Voos Espaciais Goddard, da Nasa. “Só recentemente chegamos ao ponto em que a capacidade de computação é boa o suficiente para capturar a física básica desses sistemas.”

Agora que entendem que as contas aurorais precedem as subtempestades, os cientistas querem descobrir como, por que e quando as contas podem desencadear uma subtempestade completa. Pelo menos teoricamente, as faixas podem emaranhar as linhas do campo magnético e causar um evento explosivo denominado reconexão magnética, que é bem conhecido por criar subtempestades e auroras em escala real que enchem o céu noturno.

Novas portas

Desde o seu lançamento em 2007, a missão Themis tem feito medições detalhadas ao passar pela magnetosfera, a fim de compreender as causas das subtempestades que levam às auroras. Em sua tarefa principal, a Themis conseguiu mostrar que a reconexão magnética é a principal causa das subtempestades. Os novos resultados destacam a importância de estruturas e fenômenos em escalas menores – aqueles com centenas e milhares de quilômetros de diâmetro em comparação com aqueles que medem milhões de quilômetros.

“Para entender esses recursos na aurora, você realmente precisa resolver as escalas globais e locais menores. É por isso que foi tão desafiador até agora”, disse Slava Merkin, coautor de um dos novos artigos e cientista no Centro de Tempestades Geoespaciais da Nasa, sediado no Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins, em Laurel, Maryland. “Requer algoritmos muito sofisticados e supercomputadores muito grandes.”

As novas simulações de computador correspondem quase perfeitamente aos dados da Themis e às observações do solo. Após o sucesso inicial dos novos modelos de computador, os cientistas da Themis estão ansiosos para aplicá-los a outros fenômenos aurorais inexplicáveis. Particularmente na explicação de estruturas de pequena escala, os modelos de computador são essenciais, pois podem ajudar a interpretar o que acontece entre os espaços por onde as três espaçonaves Themis passam.

“Há diversas estruturas muito dinâmicas e em escala muito pequena que as pessoas veem nas auroras que são difíceis de conectar à imagem maior no espaço, pois acontecem muito rapidamente e em escalas muito pequenas”, disse Kareem Sorathia, autora principal de um dos novos artigos e cientista do Centro de Tempestades Geoespaciais da Nasa. “Agora que podemos usar modelos globais para caracterizá-los e investigá-los, isso abre muitas portas novas.”

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