De olho no campo magnético da Terra no Brasil
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Saiba mais sobre o geomagnetismo
O campo magnético terrestre não é estático, ele muda sua intensidade e direção no decorrer do tempo em uma escala de tempo de milissegundos até milhões de anos. De modo geral, pode-se dividir a variação temporal do campo geomagnético em duas faixas: as variações mais longas, de milhões de anos a dezenas de anos, que são geradas pelo núcleo e as variações de mais curto período, como as tempestades magnéticas, que são geradas pelo campo externo.
A sismologia é a área que estuda as camadas internas da Terra, sendo um importante campo de conhecimento da geofísica. Esta ciência inclui o estudo das ondas sísmicas, que são vibrações elásticas geradas quando ocorre um terremoto. Tais ondas também podem ser provocadas artificialmente, por meio de explosões controladas. Existem vários tipos de ondas sísmicas: a chamada onda P (ou primária) é aquela que passa pelo interior da Terra com maior velocidade. Já a onda S (ou secundária), é mais lenta que a onda P. É a onda S que as pessoas percebem em uma situação de terremoto, porque uma de suas características é o fato de que ela só se propaga em sólidos (enquanto a onda P se propaga em sólidos e líquidos). Este tipo de informação tem grande importância para a ciência: foi assim que os sismólogos descobriram que o núcleo externo da Terra é líquido. O acúmulo de vários registros de terremotos distantes possibilitou o estudo da estrutura interna da Terra. Em 1906, o cientista irlandês Richard Dixon Oldham propôs, pela primeira vez, que o núcleo terrestre seria composto de um fluido. Trinta anos depois, a sismóloga dinamarquesa Inge Lehmann deduziu a existência de um núcleo interno sólido.
O interior da Terra possui quatro camadas principais: crosta, manto, núcleo externo e núcleo interno. Cada camada tem características específicas de composição, pressão e temperatura. A crosta, por exemplo, tem espessuras diferentes nos continentes e oceanos: nos continentes, tem poucas dezenas de quilômetros e, nos oceanos, registra espessura inferior a dez quilômetros e maior densidade. Logo abaixo da crosta, o manto atinge uma profundidade de aproximadamente 2891 km. O núcleo externo é a única camada líquida da Terra, atingindo profundidade de 5150 km. Por fim, o núcleo interno é sólido, e se estende até 6371 km (é o raio da Terra).
Durante toda a história da Terra, o campo geomagnético já reverteu a sua polaridade centenas de vezes. Na chamada reversão geomagnética, os polos norte e sul (magnéticos) trocam de posição. Este processo é registrado por minerais magnéticos presentes em alguns tipos de rochas. As reversões não têm uma periodicidade bem definida, mas o tempo médio entre elas é de aproximadamente 250.000 anos. A última mudança de polaridade ocorreu há 780.000 anos, mas isso não significa que uma reversão ocorrerá em breve, já que o planeta manteve uma mesma polaridade por períodos muito maiores. A ocorrência de uma reversão geomagnética poderia ter consequências graves para a sociedade, uma vez que este processo está associado a uma diminuição do campo. De maneira geral, isso deixaria a Terra exposta a níveis elevados de radiação solar. Prever uma reversão de polaridade ainda não é possível devido à complexa dinâmica do núcleo externo.
O núcleo externo é composto de um líquido rico em ferro e níquel, em temperaturas similares à da superfície do Sol (cerca de 5000 °C). Diferentemente do que você pode imaginar, o fluido do núcleo não é viscoso como um magma, mas tem uma viscosidade que seria algo entre a água e o azeite. Na prática, é como se existisse um oceano rico em ferro no interior profundo da Terra. Como nosso planeta possui movimento de rotação, este líquido existente no núcleo também está em constante movimento. Por ser altamente condutor, ele gera correntes elétricas e, consequentemente, cria o campo magnético principal da Terra. Esse processo de geração do campo magnético no núcleo é chamado de geodínamo.
Pela natureza caótica do geodínamo, é inviável prever a evolução do campo magnético. Entretanto, há um consenso entre os pesquisadores de que é possível prever o comportamento do campo do núcleo em um futuro próximo, por um período de até cinco anos. Essa previsão é simplesmente uma extrapolação linear, como é o caso do modelo “International Geomagnetic Reference Field” (IGRF). Nem sempre esta aproximação linear é adequada: prova disso é a recente rápida variação do polo norte magnético, fenômeno reportado em jornais como o New York Times e Folha de São Paulo, em fevereiro de 2019. Há um outro fenômeno que impõe uma grande barreira para estas previsões lineares — os chamados impulsos, ou “jerks” geomagnéticos.
Os “jerks” são as variações mais rápidas e imprevisíveis que ocorrem no núcleo terrestre. Uma melhor compreensão sobre os mecanismos que produzem os “jerks” no núcleo ajudaria na previsão do campo geomagnético. No entanto, muitas características observadas sobre esses impulsos não são ainda explicadas. Não se sabe exatamente, por exemplo, como eles são gerados no núcleo terrestre — podem surgir de uma dinâmica global, ou mais localizada.
Há vários registros de “jerks” na superfície da Terra, em diferentes períodos (o fenômeno foi registrado nos anos de 1969, 1978, 1991, 2003, 2014 etc). Muitos trabalhos publicados focam em caracterizar cada um destes eventos. Utilizando diferentes métodos para a detecção e caracterização destes “jerks”, a conclusão é que, na maioria dos eventos, o “jerk” não aparece ao mesmo tempo na superfície da Terra. Um desses impulsos aconteceu por volta de 1970, mas teve registros em datas diferentes: na Austrália, foi visto em 1972, mas os observatórios europeus o detectaram por volta de 1969. Como esses impulsos são gerados no núcleo e por que eles não são vistos ao mesmo tempo em todos os lugares?
Como os jerks são variações temporais do campo magnético gerado no núcleo, eles passam pelo manto eletricamente condutor antes da chegada à superfície. Consequentemente, o campo geomagnético observado na superfície corresponderá a uma versão filtrada, atrasada e suavizada, do campo original gerado no núcleo. A Terra é considerada um sistema linear e causal, onde o sinal de entrada é o “jerk sintético” na fronteira entre o manto e o núcleo, o filtro é o próprio manto condutor, e o sinal de saída é o “jerk” observado. Uma hipótese é a de que a condutividade elétrica do manto possa causar tais atrasos. O conhecimento sobre o núcleo da Terra e sobre como os jerks são gerados pode influenciar em outros fatores, como inferências sobre a composição e fluxo de calor no limite manto-núcleo. Os “jerks” são fundamentais, tanto para o conhecimento sobre o interior da Terra quanto para uma possível previsão da evolução do campo geomagnético no tempo, medida em observatórios e satélites.
Gráfico da variação secular nos observatórios magnético na França (círculos amarelos) e na Alemanha (círculos verdes). Os “jerks” são mostrados pelas setas. Modificação de Pinheiro e Jackson (2008).
Durante o período diurno, os fótons solares ionizam a atmosfera terrestre e produzem o plasma (íons e elétrons), que forma a chamada ionosfera terrestre. A ionosfera, por sua vez, é movimentada por ventos atmosféricos. Essa movimentação do plasma ionosférico através do campo geomagnético gera campos e correntes elétricas. O fluxo de correntes elétricas na atmosfera induz um campo magnético associado que varia diariamente e pode ser observado na superfície terrestre. Estas correntes elétricas estão localizadas na região mais condutiva da ionosfera, conhecida como região E (entre 90 e 120 km). A variação diurna pode ser calma ou perturbada, dependendo do nível de atividade solar. Desta maneira, medições geomagnéticas podem ser utilizadas para inferir sobre características de processos atmosféricos.
A ionosfera terrestre pode ser subdividida em três regiões principais: região D (60 a 90 km de altitude), região E (90 a 140 km) e região F (acima de 140km). A região F, por sua vez, pode ser dividida nas sub-regiões F1 e F2 para os períodos diurnos, em que há uma maior taxa de radiação solar. Essa subdivisão da ionosfera ocorre porque esta apresenta uma estruturação espacial, visto que suas propriedades físicas e químicas como temperatura, composição, pressão e densidade, variam com a altitude.
Fonte: Figura elaborada por Gregório Holanda (gregoriosim@gmail.com)
O geógrafo alemão Alexander von Humboldt foi o primeiro a descrever, em 1808, períodos ocasionais durante os quais medições magnéticas na superfície terrestre apresentavam variações muito intensas, rápidas e irregulares do campo zgeomagnético, diferentes das observadas nos dias calmos. A estas variações ele atribuiu o nome de tempestades magnéticas. Estas tempestades podem ser causadas por ejeções de massa coronal, que são nuvens de plasma magnetizadas liberadas durante eventos eruptivos no Sol ou por fluxos de alta velocidade de vento solar. As tempestades magnéticas causam distúrbios na magnetosfera que podem perdurar por horas ou, até mesmo, alguns dias.
Tempestades magnéticas ocorrem devido à interação do vento solar magnetizado com o campo gerado no núcleo. Esta interação faz com que partículas energéticas do vento solar sejam injetadas na magnetosfera. Este processo proporciona as belas auroras, fenômenos observados em regiões de latitudes elevadas (próximas dos polos), caso da Islândia (https://www.nasa.gov/content/goddard/science-of-magnetic-reconnection/).
Estas tempestades podem danificar sistemas tecnológicos espaciais, como comunicação por satélite, e prejudicar a saúde de astronautas, passageiros de aeronaves nas regiões polares e sistema de redes elétricas (https://www.nasa.gov/topics/earth/features/sun_darkness.html).
As tempestades magnéticas são classificadas de acordo com suas intensidades e tempo de perturbação do campo magnético da Terra. Para realizar essa classificação são utilizados índices geomagnéticos. Os mais utilizados para o monitoramento de perturbações no campo magnético da Terra são os índices K, Kp, Dst (Disturbance Storm-Time) e o AE (Auroral Electroject).
Dados da componente H do campo magnético no Observatório Magnético do Pantanal (PNL). Painel superior: os dados dos dias 15 e 16 de junho de 2013 mostram um período calmo (normal), sem tempestade geomagnética. Painel inferior: os dados dos dias 28 e 29 de junho de 2013 mostram uma tempestade geomagnética em curso.
Fonte: Figura elaborada por Marcel Nogueira de Oliveira (marceloliveira@on.br)
O índice planetário Kp reúne informações de uma rede de 13 observatórios geomagnéticos, todos espalhados pelo planeta numa região entre 44 e 60 graus de latitude. Este índice expressa a atividade magnética em escala planetária com valores que variam de 0 a 9, para cada intervalo de 3 horas. O valor é continuamente calculado desde 1932 e, devido a este longo período de aquisição de dados, pode ser utilizado em estudos de distúrbios magnéticos ocorridos ao longo de muitos ciclos solares.
Os valores do índice Kp são calculados e divulgados pelo GFZ (German Research Centre for Geosciences). É desta maneira que o Kp é estimado em tempo “quase-real”, com alertas emitidos toda vez que o índice atinge valores críticos (Kp maior do que 5).
O Kp também está relacionado à escala G de tempestades magnéticas, que é comumente utilizada pelo National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). De maneira mais simples, a escala G corresponde aos efeitos que as tempestades geomagnéticas provocam na Terra. Para isso, esta escala utiliza os valores do índice Kp como parâmetro, variando de G1 (Kp=5), até G5 (Kp=9). Na escala NOAA, o nível G1 representa uma tempestade magnética de intensidade fraca, na qual os distúrbios magnéticos causam pequenas oscilações nas redes elétricas. Na outra ponta, o nível G5 representa uma tempestade magnética de intensidade extrema, onde os distúrbios magnéticos podem causar blackouts em sistemas elétricos e avariar seriamente as espaçonaves que orbitam a Terra. Uma descrição mais detalhada da escala G pode ser encontrada em (https://www.swpc.noaa.gov/noaa-scales-explanation).
O índice Dst classifica os distúrbios magnéticos causados pela componente simétrica do anel de corrente (em inglês, “ring current”) que circunda a magnetosfera terrestre na região do equador. Os principais distúrbios observados no Dst são negativos, indicando enfraquecimentos no campo terrestre durante as tempestades magnéticas. No entanto, também existem variações positivas no índice Dst. Estas indicam uma compressão da magnetosfera devido aos aumentos da pressão do vento solar. Este índice é calculado desde 1957 pela Faculdade de Ciências da Universidade de Kyoto, no Japão. Os índices Kp e Dst são dois dos índices magnéticos mais utilizados. No entanto, eles apresentam comportamentos diferentes de acordo com os tipos de fenômenos ocasionados pelo vento solar e possuem distintas sensibilidades aos diferentes tipos de tempestades.
Como mencionado anteriormente, o índice AE também é utilizado para estudar tempestades magnéticas (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/ae_realtime/index.html), sendo definido a partir da diferença (em nano Testa) entre os valores superior e inferior das perturbações do campo magnético causadas pela corrente em anel na zona auroral. O índice é construído a partir de medidas das variações da componente horizontal do campo geomagnético H. Essas variações são registradas por 15 estações de magnetômetros distribuídas ao longo da zona auroral, em latitudes entre 55 e 78 graus.
Perfil temporal da tempestade geomagnética ocorrida em 12 de setembro de 2014. Painel superior: índices geomagnéticos Disturbance Storm Time (Dst) (curva azul) e o índice planetário Kp (barras verticais). Os índices Dst e Kp são usados para estudos de tempestades geomagnéticas. No instante de maior intensidade do distúrbio geomagnético o índice Dst registra valores negativos (depressões), e o Kp, por sua vez, registra aumentos em sua escala de valor (barras vermelhas). No instante de maior intensidade do distúrbio atingiu um valor máximo Kp = 7 em coincidência temporal com o mínimo observado no índice Dst = -88 nT. Painel inferior: dados da variação da componente horizontal (H) do Observatório de Vassouras (VSS). Os dados de VSS registram um valor de cerca de -150 nT para o instante mais crítico da tempestade. É possível observar uma coincidência temporal entre as medidas dos dois painéis.
Fonte: Figura elaborada por Marcel Nogueira de Oliveira (marceloliveira@on.br)
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