Os espetáculos de auroras que aparecem no céu perto dos polos da Terra – aurora boreal no norte, aurora austral no sul – cativam os humanos há séculos e contribuem para a mitologia em todo o mundo.
Agora sabemos que as auroras são causadas por elétrons e outras partículas carregadas do Sol sendo canalizadas pelo campo magnético da Terra em direção aos polos, onde atingem as moléculas de ar na atmosfera superior da Terra a 72 milhões de quilômetros por hora. A energia da colisão faz com que as moléculas emitam rajadas de luz. Junte as minúsculas rajadas de luz de um monte de moléculas – verdes e vermelhas do oxigênio, azul e roxo do nitrogênio – e você terá as cores cintilantes de uma aurora.
Mas os pesquisadores não tinham certeza de como os elétrons das auroras poderiam ser acelerados até a energia com a qual foram observados atingindo a atmosfera. Agora, um grupo de físicos respondeu a essa pergunta com um experimento que mostra que os elétrons causadores da aurora podem acelerar em direção à Terra “surfando” em ondas de plasma criadas pelo clima solar que perturba o campo magnético da Terra.
O sol está constantemente enviando um “ vento solar ” de partículas de plasma quentes e carregadas, principalmente elétrons e prótons. A velocidade do vento e a densidade das partículas variam dependendo das condições da superfície e do ciclo magnético do sol. Às vezes, as tempestades solares lançam grandes explosões de partículas chamadas ejeções de massa coronal.
O campo magnético confiável de nosso planeta nos protege da radiação solar mais severa, redirecionando a maior parte dela ao redor e para longe de nosso planeta. Mas o clima espacial ainda pode impactar satélites, astronautas e até mesmo a rede elétrica da Terra. As auroras também parecem muito mais brilhantes durante as épocas de clima solar intenso.
Ejeções de massa coronal ou rajadas particularmente fortes de vento solar podem esticar as linhas do campo magnético da Terra atrás da Terra até que elas voltem como um estilingue, criando ondulações no plasma chamadas ondas de Alfvén (existem outras maneiras de fazer ondas de Alfvén também, mas esta é o tipo mais relevante para auroras). Conforme as ondas viajam em direção à Terra, o campo magnético fica mais forte e elas se aceleram.
Em algum ponto, a cerca de 16.000 milhas da Terra, as ondas atingem uma velocidade mágica em que vão um pouco mais rápido do que os elétrons ao seu redor. Alguns dos elétrons podem pegar uma carona na onda acelerada de Alfvén.
Greg Howes, físico da Universidade de Iowa e um dos principais pesquisadores do estudo, compara-o a um surfista pegando uma onda no oceano. “Você tem que quase igualar a velocidade da onda um pouco mais lenta. É aí que você pega a onda e começa a surfar.”
Apenas a fração de elétrons que está indo na direção certa na velocidade certa irá pegar a onda (para o resto, a onda simplesmente passa por eles).
Pelo menos, essa era a ideia. Embora as observações de satélite das ondas e elétrons de Alfvén na magnetosfera da Terra fossem consistentes com o conceito de elétrons surfistas, ninguém havia realmente provado que isso era possível até recentemente.
“Sabemos que os elétrons que descem e as ondas costumam existir juntos”, diz Jim Schroeder, físico do Wheaton College que trabalhou com Howes no experimento desde que era estudante de graduação em Iowa. “Mas nunca houve uma medição mostrando que as ondas podem acelerar os elétrons.”
Embora as observações baseadas em satélite tenham muitos méritos, os pesquisadores sabiam que precisavam de condições mais controladas para poder ver como as ondas e os elétrons interagem entre si. Então, eles se voltaram para experimentos baseados na Terra.
“Conseguimos realmente discar e estudar um nível de detalhe que você não consegue com uma espaçonave em movimento”, diz Schroeder. Se o satélite de observação estivesse em uma posição fixa, como uma boia amarrada ao fundo do oceano, seria simples observar as ondas de Alfvén e ver se elas estavam acelerando algum elétron. Mas os satélites não ficam parados; eles estão em órbita, o que resulta simplesmente em peças móveis demais.
No final da década de 1990, Craig Kletzing, um dos colegas de física de Howes na Universidade de Iowa, iniciou uma colaboração com o Basic Plasma Science Facility da UCLA. Seu plano era recriar as condições de plasma presentes na magnetosfera da Terra, enviar algumas ondas de Alfvén através dela e ver se alguma parte dos elétrons ganhava velocidade. “Ele inicialmente pensou que levaria cerca de três anos”, diz Howes. “Demorou mais de 20.”
Cada etapa do projeto apresentava um novo desafio técnico: como enviar ondas de Alfvén através da câmara de plasma de 20 metros de comprimento, como dimensionar tudo para que fosse proporcional ao que aconteceria no espaço, como medir se os elétrons estavam acelerando , como modelar os dados. Mas, no final das contas, eles conseguiram projetar o experimento e mostrar que os elétrons podem surfar nas ondas de Alfvén.
Schroeder se lembra de estar no laboratório da UCLA tarde da noite em 2018, plotando alguns de seus dados e vendo que eles concordavam com a hipótese do surfe. “Eu tinha feito teoria o suficiente para saber como seria se tivéssemos capturado esse processo e visto o sinal em nossos dados, e ele estava lá.” Ele imediatamente enviou uma foto do enredo para seu irmão, também um físico – não um físico de plasma, mas com conhecimento suficiente para olhar o enredo e entender que era emocionante.
“Eles foram muito bem capazes de mostrar com este experimento que este mecanismo particular [de aceleração de elétrons] tem as características necessárias para ser capaz de explicar o que está acontecendo na alta atmosfera e no espaço”, diz David Schaffner, físico da Bryn Mawr Faculdade que não participou da pesquisa.
No olho da tempestade
Entender o que está acontecendo no espaço e como o clima espacial afeta a magnetosfera da Terra também tem implicações mais sérias. A radiação das explosões solares pode atrapalhar as redes de energia e os sistemas de telecomunicações – uma tempestade solar interrompeu a energia de toda a província de Quebec em 1989 – e também representa riscos à segurança de astronautas e aviões.
Quanto melhor entendermos como o clima solar afeta o espaço próximo à Terra, melhor podemos prever e nos preparar para isso. Como disse Schaffner: “Se você morasse no meio do oceano, gostaria de saber o que está acontecendo com as correntes”.
Então, da próxima vez que você vir uma aurora ondulando no céu noturno, na vida real ou em uma tela, considere os surf dos elétrons e o clima espacial que os torna possíveis – e agradeça à magnetosfera por garantir que não chamuscado pelos ventos solares.
Fonte:
https://www.discovermagazine.com/the-sciences/the-secret-to-brilliant-auroras-surfing-electrons
