(Painel superior, da esquerda para a direita) 12 de julho, Ejeção de massa coronal de 2012 vista em STEREO B Cor2, SOHO C2, e coronógrafos STEREO A Cor2, respectivamente. (Painel inferior) As mesmas imagens sobrepõem-se aos resultados do modelo. Crédito:Talwinder Singh, Mehmet S. Yalim, Nikolai V. Pogorelov, e Nat Gopalswamy
A superfície do Sol se agita com energia e freqüentemente ejeta massas de plasma altamente magnetizado em direção à Terra. Às vezes, essas ejeções são fortes o suficiente para atingir a magnetosfera - o escudo magnético natural que protege a Terra - danificando satélites ou redes elétricas. Esses eventos climáticos espaciais podem ser catastróficos.
Os astrônomos estudaram a atividade do Sol por séculos com uma compreensão cada vez maior. Hoje, os computadores são essenciais para a compreensão do comportamento do Sol e seu papel nos eventos climáticos espaciais.
O ato bipartidário PROSWIFT (Promovendo Pesquisa e Observações do Clima Espacial para Melhorar a Previsão do Amanhã), aprovada em lei em outubro de 2020, está formalizando a necessidade de desenvolver melhores ferramentas de previsão do tempo espacial.
"O clima espacial requer um produto em tempo real para que possamos prever os impactos antes de um evento, não só depois, "explicou Nikolai Pogorelov, distinto professor de Ciência Espacial da Universidade do Alabama em Huntsville, que usa computadores para estudar o clima espacial há décadas. "Este assunto - relacionado aos programas espaciais nacionais, de Meio Ambiente, e outros problemas - foi recentemente escalado para um nível superior. "
Para muitos, o clima espacial pode parecer uma preocupação distante, mas como uma pandemia - algo que sabíamos ser possível e catastrófico - podemos não perceber seus perigos até que seja tarde demais.
"Nós não pensamos sobre isso, mas a comunicação elétrica, GPS, e os gadgets do dia-a-dia podem ser afetados por efeitos extremos do clima espacial, "Pogorelov disse.
Além disso, os EUA estão planejando missões a outros planetas e à lua. Todos exigirão previsões muito precisas do clima espacial - para o projeto de espaçonaves e para alertar os astronautas sobre eventos extremos.
A ejeção de massa coronal encadeada por linhas de campo magnético na fatia equatorial colorida pela temperatura do plasma. Crédito:do clima espacial, abril de 2020, com permissão da American Geophysical Union.
Com financiamento da National Science Foundation (NSF) e da NASA, Pogorelov lidera uma equipe que trabalha para melhorar o estado da arte na previsão do tempo espacial.
"Essa pesquisa, misturando ciência intrincada, computação avançada e observações interessantes, irá avançar nossa compreensão de como o Sol impulsiona o clima espacial e seus efeitos na Terra, "disse Mangala Sharma, Diretor do Programa de Clima Espacial na Divisão de Ciências Atmosféricas e Geoespaciais da NSF. "O trabalho ajudará os cientistas a prever eventos climáticos espaciais e a construir a resiliência de nossa nação contra esses perigos naturais em potencial."
O esforço multi-institucional envolve os Centros de Voo Espacial Goddard e Marshall, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, e duas empresas privadas, Predictive Science Inc. e Space Systems Research Corporation.
Pogorelov usa o supercomputador Frontera no Texas Advanced Computing Center (TACC) —o nono mais rápido do mundo — bem como sistemas de alto desempenho na NASA e no San Diego Supercomputing Center, para melhorar os modelos e métodos no cerne da previsão do tempo espacial.
A turbulência desempenha um papel fundamental na dinâmica do vento solar e nas ejeções de massa coronal. Este fenômeno complexo tem muitas facetas, incluindo o papel da interação choque-turbulência e aceleração de íons.
"O plasma solar não está em equilíbrio térmico. Isso cria características interessantes, "Pogorelov disse.
Escrevendo em Astrophysical Journal em abril de 2021, Pogorelov, junto com Michael Gedalin (Universidade Ben Gurion do Negev, Israel), e Vadim Roytershteyn (Instituto de Ciência Espacial) descreveu o papel dos íons de captação em retrocesso na aceleração de partículas carregadas no universo. Íons de backstreaming, seja de origem interestelar ou local, são captados pelo plasma do vento solar magnetizado e se movem radialmente para fora do sol.
Configuração da linha de campo magnético da ejeção de massa coronal inserida no limite interno R =0,1 UA, mostrado com a esfera vermelha. Crédito:Talwinder Singh, Tae K. Kim, Nikolai V. Pogorelov, e Charles N. Arge, com permissão da American Geophysical Union
"Algumas partículas não térmicas podem ser ainda mais aceleradas para criar partículas energéticas solares que são particularmente importantes para as condições meteorológicas espaciais na Terra e para as pessoas no espaço, " ele disse.
Pogorelov realizou simulações em Frontera para entender melhor este fenômeno e compará-lo com as observações das Voyager 1 e 2, a espaçonave que explorou os confins da heliosfera e agora está fornecendo dados exclusivos do meio interestelar local.
Um dos principais focos da previsão do clima espacial é prever corretamente a chegada de ejeções de massa coronal - a liberação de plasma e o campo magnético que o acompanha da corona solar - e determinar a direção do campo magnético que carrega consigo. O estudo da equipe de Pogorelov sobre íons de backstreaming ajuda a fazer isso, assim como o trabalho publicado em Astrophysical Journal em 2020, que usou um modelo magnetohidrodinâmico baseado em corda de fluxo para prever o tempo de chegada à Terra e a configuração do campo magnético do dia 12 de julho, Ejeção de massa coronal de 2012. (Magnetohidrodinâmica refere-se às propriedades magnéticas e ao comportamento de fluidos eletricamente condutores como o plasma, que desempenha um papel fundamental na dinâmica do clima espacial).
"Quinze anos atrás, não sabíamos muito sobre o meio interestelar ou as propriedades do vento solar, "Pogorelov disse." Temos tantas observações disponíveis hoje, o que nos permite validar nossos códigos e torná-los muito mais confiáveis. "
Pogorelov é um co-investigador em um componente a bordo da Sonda Solar Parker chamado SWEAP (Solar Wind Electrons, Prótons, e instrumento Alphas). Com cada órbita, a sonda se aproxima do sol, fornecer novas informações sobre as características do vento solar.
"Em breve, ele vai penetrar além da esfera crítica onde o vento solar se torna magnetosônico super rápido, e teremos informações sobre a física da aceleração do vento solar e transporte que nunca tivemos antes, " ele disse.
À medida que a sonda e outras novas ferramentas de observação se tornam disponíveis, Pogorelov antecipa uma grande quantidade de novos dados que podem informar e conduzir o desenvolvimento de novos modelos relevantes para a previsão do tempo espacial. Por essa razão, ao lado de sua pesquisa básica, Pogorelov está desenvolvendo uma estrutura de software flexível, utilizável por diferentes grupos de pesquisa em todo o mundo, e pode integrar novos dados observacionais.
"Sem dúvida, em anos que virão, a qualidade dos dados da fotosfera e da coroa solar será melhorada dramaticamente, por causa de novos dados disponíveis e novos, maneiras mais sofisticadas de trabalhar com dados, "disse ele." Estamos tentando construir software de uma forma que, se um usuário obtiver melhores condições de contorno em novas missões científicas, será mais fácil para eles integrar essas informações. "
