Cientistas da NASA e de três universidades apresentaram novas descobertas sobre a forma como o calor e a energia se movem e se manifestam na ionosfera, uma região da atmosfera da Terra que reage às mudanças do espaço acima e da Terra abaixo.

Muito acima da superfície da Terra, dentro da tênue atmosfera superior, é um mar de partículas que foram divididas em íons positivos e negativos pela forte radiação ultravioleta do sol. Chamado de ionosfera, esta é a interface da Terra com o espaço, a área onde a atmosfera neutra da Terra e o clima terrestre dão lugar ao ambiente espacial que domina a maior parte do resto do universo - um ambiente que hospeda partículas carregadas e um sistema complexo de campos elétricos e magnéticos. A ionosfera é formada por ondas da atmosfera abaixo e responde exclusivamente às mudanças nas condições do espaço, transmitir esse clima espacial em observáveis, Fenômenos efetivos da Terra - criando a aurora, interrompendo os sinais de comunicação, e às vezes causando problemas de satélite.

Muitos desses efeitos não são bem compreendidos, deixando a ionosfera, em geral, uma região de mistério. Cientistas do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, a Universidade Católica da América em Washington, D.C., a Universidade do Colorado em Boulder, e a Universidade da Califórnia, Berkeley, apresentou novos resultados sobre a ionosfera na reunião de outono da American Geophysical Union em 14 de dezembro, 2016, em San Francisco.

Um pesquisador explicou como a interação entre a ionosfera e outra camada da atmosfera, a termosfera, neutralizar o aquecimento na termosfera - aquecimento que leva à expansão da alta atmosfera, que pode causar decadência orbital prematura. Outro pesquisador descreveu como a energia fora da ionosfera se acumula até ser descarregada - não muito diferente de um raio - oferecendo uma explicação de como a energia do clima espacial cruza para a ionosfera. Um terceiro cientista discutiu duas próximas missões da NASA que fornecerão observações importantes desta região, ajudando-nos a entender melhor como a ionosfera reage tanto ao clima espacial quanto ao clima terrestre.

As mudanças na ionosfera são impulsionadas principalmente pela atividade do sol. Embora possa parecer imutável para nós no terreno, nosso sol é, na verdade, muito dinâmico, estrela ativa. Observar o sol em comprimentos de onda ultravioleta da luz do espaço - acima de nossa atmosfera bloqueadora de luz ultravioleta - revela atividade constante, incluindo rajadas de luz, partículas, e campos magnéticos.

Ocasionalmente, o sol libera enormes nuvens de partículas e campos magnéticos que explodem do sol a mais de um milhão de milhas por hora. Estes são chamados de ejeções de massa coronal, ou CMEs. Quando um CME chega à Terra, seus campos magnéticos embutidos podem interagir com o campo magnético natural da Terra - chamado de magnetosfera - às vezes comprimindo-o ou mesmo fazendo com que partes dele se realinhem.

É esse realinhamento que transfere energia para o sistema atmosférico da Terra, desencadeando uma reação em cadeia de campos elétricos e magnéticos variáveis ​​que podem enviar as partículas já presas perto da Terra deslizando em todas as direções. Essas partículas podem então criar um dos eventos climáticos espaciais mais reconhecíveis e inspiradores - a aurora, também conhecido como Luzes do Norte.

Mas a transferência de energia para a atmosfera nem sempre é tão inócua. Também pode aquecer a alta atmosfera - onde os satélites terrestres orbitam - fazendo com que se expanda como um balão de ar quente.

"Esse inchaço significa que há mais coisas em altitudes mais elevadas do que poderíamos esperar, "disse Delores Knipp, um cientista espacial da Universidade do Colorado em Boulder. "Esse material extra pode arrastar nos satélites, interrompendo suas órbitas e tornando-os mais difíceis de rastrear. "

Este fenômeno é chamado de arrasto de satélite. Uma nova pesquisa mostra que essa compreensão da resposta da atmosfera superior às tempestades solares - e o arrasto do satélite resultante - pode nem sempre ser verdadeira.

"Nosso entendimento básico é que as tempestades geomagnéticas colocam energia no sistema terrestre, o que leva ao inchaço da termosfera, que pode puxar os satélites para baixo em órbitas, "disse Knipp, pesquisador líder sobre esses novos resultados. "Mas nem sempre é esse o caso."

As vezes, a energia das tempestades solares pode desencadear uma reação química que produz um composto chamado óxido nítrico na alta atmosfera. O óxido nítrico atua como um agente de resfriamento em altitudes muito elevadas, promovendo a perda de energia para o espaço, portanto, um aumento significativo neste composto pode causar um fenômeno denominado overcooling.

"O superresfriamento faz com que a atmosfera libere rapidamente a energia da tempestade geomagnética muito mais rápido do que o previsto, "disse Knipp." É como se o termostato para a atmosfera superior tivesse travado na configuração 'fria'. "

Essa rápida perda de energia neutraliza a expansão anterior, fazendo com que a atmosfera superior colapsasse de volta - às vezes para um estado ainda menor do que no início, deixando satélites viajando por regiões de densidade mais baixa do que o previsto.

Uma nova análise feita por Knipp e sua equipe classifica os tipos de tempestades que podem levar a esse super-resfriamento e ao rápido colapso da alta atmosfera. Ao comparar mais de uma década de medições dos satélites do Departamento de Defesa e da termosfera da NASA, Ionosfera, Energética e dinâmica da mesosfera, ou TIMED, missão, os pesquisadores foram capazes de detectar padrões de energia que se movem pela atmosfera superior.

"O super-resfriamento é mais provável de acontecer quando o material ejetado muito rápido e magneticamente organizado do sol sacode o campo magnético da Terra, "disse Knipp." Nuvens lentas ou mal organizadas simplesmente não têm o mesmo efeito. "

Isso significa que, contra-intuitivamente, as tempestades solares mais enérgicas são susceptíveis de fornecer um resfriamento líquido e efeito de encolhimento na alta atmosfera, ao invés de aquecê-lo e expandi-lo como havia sido entendido anteriormente.

Competindo com esse processo de resfriamento está o aquecimento causado pela energia da tempestade solar que atinge a atmosfera da Terra. Embora os cientistas saibam que a energia eólica solar eventualmente atinge a ionosfera, eles entenderam pouco sobre onde, quando e como essa transferência ocorre. Novas observações mostram que o processo é localizado e impulsivo, e parcialmente dependente do estado da própria ionosfera.

Tradicionalmente, os cientistas pensaram que a forma como a energia se move pela magnetosfera e atmosfera terrestre é determinada pelas características das partículas que chegam e dos campos magnéticos do vento solar - por exemplo, ao longo, fluxo constante de partículas solares produziria efeitos diferentes do que um fluxo mais rápido, fluxo menos consistente. Contudo, novos dados mostram que a forma como a energia se move está muito mais intimamente ligada aos mecanismos pelos quais a magnetosfera e a ionosfera estão ligadas.

"O processo de transferência de energia acaba sendo muito semelhante à forma como o relâmpago se forma durante uma tempestade, "disse Bob Robinson, um cientista espacial da NASA Goddard e da Universidade Católica da América.

Durante uma tempestade, um acúmulo de diferença de potencial elétrico - chamada de voltagem - entre uma nuvem e o solo leva a um súbito, descarga violenta dessa energia elétrica na forma de um raio. Essa descarga só pode acontecer se houver um caminho eletricamente condutor entre a nuvem e o solo, chamado de líder.

De forma similar, o vento solar que atinge a magnetosfera pode criar uma diferença de voltagem entre as diferentes regiões da ionosfera e da magnetosfera. As correntes elétricas podem se formar entre essas regiões, criando o caminho condutor necessário para que a energia elétrica acumulada seja descarregada na ionosfera como uma espécie de raio.

"Os relâmpagos terrestres levam vários milissegundos para ocorrer, enquanto este 'relâmpago' magnetosfera-ionosfera dura várias horas - e a quantidade de energia transferida é centenas a milhares de vezes maior, "disse Robinson, pesquisador líder sobre esses novos resultados. Esses resultados são baseados em dados da constelação global de comunicações por satélite Iridium.

Como as tempestades solares aumentam as correntes elétricas que permitem a ocorrência deste relâmpago magnetosfera-ionosfera, esse tipo de transferência de energia é muito mais provável quando o campo magnético da Terra é empurrado por um evento solar.

A enorme transferência de energia deste relâmpago magnetosfera-ionosfera está associada ao aquecimento da ionosfera e da alta atmosfera, bem como aumento da aurora.

Esperando ansiosamente

Embora os cientistas estejam progredindo na compreensão dos principais processos que impulsionam as mudanças na ionosfera e, por sua vez, na terra, ainda há muito a ser entendido. Em 2017, A NASA está lançando duas missões para investigar esta região dinâmica:o Ionospheric Connection Explorer, ou ICON, e observações globais do membro e do disco, ou OURO.

"A ionosfera não reage apenas à entrada de energia por tempestades solares, "disse Scott England, um cientista espacial da Universidade da Califórnia, Berkeley, que trabalha nas missões ICON e GOLD. "Clima terrestre, como furacões e padrões de vento, pode moldar a atmosfera e a ionosfera, mudando como eles reagem ao clima espacial. "

O ICON medirá simultaneamente as características das partículas carregadas da ionosfera e das partículas neutras da atmosfera - incluindo aquelas moldadas pelo clima terrestre - para entender como elas interagem. O OURO fará muitas das mesmas medidas, mas da órbita geoestacionária, que dá uma visão global de como a ionosfera muda.

Tanto o ICON quanto o GOLD aproveitarão um fenômeno chamado airglow - a luz emitida por um gás que é excitado ou ionizado pela radiação solar - para estudar a ionosfera. Medindo a luz do airglow, os cientistas podem rastrear a mudança na composição, densidade, e até mesmo a temperatura das partículas na ionosfera e na atmosfera neutra.

A posição do ICON 350 milhas acima da Terra permitirá que ele estude a atmosfera de perfil, dando aos cientistas uma visão sem precedentes do estado da ionosfera em uma variedade de altitudes. Enquanto isso, Posição 22 do OURO, 000 milhas acima da Terra lhe dará a chance de rastrear as mudanças na ionosfera à medida que se movem ao redor do globo, semelhante a como um satélite meteorológico rastreia uma tempestade.

"Estaremos usando essas duas missões juntos para entender como os sistemas climáticos dinâmicos são refletidos na alta atmosfera, e como essas mudanças impactam a ionosfera, "disse a Inglaterra.