Estruturas em forma de letras X e C detectadas na atmosfera intrigam cientistas

A cada dia, sinais de rádio dos principais satélites de comunicação e navegação viajam livremente através de uma camada da atmosfera terrestre conhecida como ionosfera.

Flutuando entre 80 e 643 quilômetros acima de nossas cabeças, sob as regiões mais baixas do espaço onde alguns satélites de comunicação orbitam, essa zona na alta atmosfera também abriga muitos enigmas não resolvidos — incluindo um em forma de alfabeto que tem o potencial de frustrar tudo o que esses sinais de rádio fazem para manter a vida em nosso planeta funcionando suavemente.

Os astrônomos sabem há algum tempo que sistemas em forma de X podem aparecer no plasma da ionosfera — um mar de partículas carregadas — após tempestades solares.

Eventos vulcânicos e condições meteorológicas extremas na Terra também podem causar o fenômeno. Grandes erupções, como a do Hunga Tonga-Hunga Ha’apai em janeiro de 2022, lançam partículas na atmosfera terrestre que chegam até o espaço. Ainda, tempestades e furacões podem criar ondas de pressão que alcançam a ionosfera.

Enquanto isso, durante a noite desses períodos ativos — quando a radiação solar não é tão forte — é quando bolhas de baixa densidade aparecem na ionosfera.

Os dados de satélite nem sempre conseguiram capturar a imagem completa do que ocorre na ionosfera, mas a missão Gold da Nasa (Agência Espacial dos Estados Unidos) tem uma visão panorâmica da camada atmosférica sobre o Hemisfério Ocidental a partir do espaço, revelando como diferentes fatores causam distúrbios na ionosfera.

Analisando dados coletados pela missão Gold astrônomos encontraram características semelhantes em forma de X e Cs nunca antes vistos que surpreendentemente parecem ter aparecido durante “períodos tranquilos” quando não havia distúrbios atmosféricos, segundo novas pesquisas. As descobertas estão desafiando o que se sabe sobre como as estruturas incomuns podem se formar e seus potenciais impactos.

Os dados da missão estão ajudando os cientistas a ver “como a atmosfera da Terra é complexa” enquanto mostram que ela é mais variável do que se esperava, mesmo quando não há uma causa óbvia por trás dos distúrbios em forma de alfabeto na camada ionizada, disse Jeffrey Klenzing, cientista pesquisador que estuda a ionosfera no Goddard Space Flight Center da Nasa em Greenbelt, Maryland.

“Eu suspeitaria que isso sempre esteve acontecendo”, disse ele. “A questão tem sido basicamente que não tínhamos dados suficientes para realmente ver que isso está acontecendo.”

Obter uma melhor compreensão dos fenômenos em forma de letras pode ajudar os cientistas a desvendar a dinâmica entre a ionosfera e o clima — e como a interação pode representar riscos para as pessoas e sistemas na Terra.

Cristas em forma de X

A ionosfera nem sempre é uma camada de gás perfeitamente lisa e está em constante mudança. Ela se torna eletrificada quando a luz solar a atinge — a radiação solar remove elétrons dos átomos e moléculas para criar plasma que permite que as comunicações por rádio viajem longas distâncias.

Mas à medida que o Sol desaparece à noite, a ionosfera se torna mais fina e as partículas antes carregadas se acalmam e se tornam partículas neutras, segundo dados da Nasa. É nesse momento que bolhas podem se formar na ionosfera.

As linhas do campo magnético da Terra também carregam partículas carregadas flutuando livremente na atmosfera para duas faixas densas ao norte e ao sul do Equador conhecidas como cristas. Dadas as suas várias densidades, cristas e bolhas que se assemelham a diferentes formas dentro da ionosfera podem causar interferências nos sinais de comunicação e GPS.

A missão Gold, ou Global-scale Observations of the Limb and Disk, vem monitorando a ionosfera desde seu lançamento em janeiro de 2018. O satélite orbita a Terra na mesma velocidade em que o nosso planeta gira, viabilizando que a espaçonave permaneça em uma constante posição sobre o Hemisfério Ocidental.

A Gold detectou os sinais mais claros das características em forma de X e C em 2019, 2020 e 2021 — e em lugares inesperados. As evidências estão fazendo com que os pesquisadores questionem os potenciais efeitos dos Xs e Cs nos sinais de comunicação no futuro.

“A missão Gold da Nasa é a primeira a observar as formas alfabéticas de maneira inequívoca”, disse Fazlul Laskar, autor principal de um estudo sobre os formatos em X publicado em abril no Journal of Geophysical Research: Space Physics.

“Essas formas revelam que a ionosfera pode ser muito dinâmica às vezes, exibindo estruturas inesperadas”, acrescentou Laskar, cientista pesquisador no Laboratório de Física Atmosférica e Espacial da Universidade do Colorado. “Além disso, demonstra que o clima atmosférico inferior pode ter um enorme impacto na ionosfera.”

A observação da Gold de várias instâncias de formação dos Xs “durante condições de quietude geomagnética” — em vez de durante distúrbios atmosféricos, como tempestades solares ou clima terrestre, quando eram vistos anteriormente — agora diz aos cientistas que algum outro mecanismo deve ser responsável pela formação das formas, disse Laskar. Os modelos de computador apontam para mudanças na atmosfera inferior que puxam o plasma para baixo como uma possível explicação, de acordo com o estudo.

“A [aparência do] X é estranha porque implica que há fatores de condução muito mais localizados,” disse Klenzing, que não participou do estudo publicado em abril. “Isso é esperado durante os eventos extremos, mas vê-lo durante ‘tempo calmo’ sugere que a atividade da atmosfera inferior está dirigindo significativamente a estrutura da ionosfera.”

Bolhas em C nunca antes vistas

Separadamente, o Gold também observou bolhas de plasma em forma de C que podem ser influenciadas por outros fatores.

Normalmente, essas estruturas são longas e retas porque se formam ao longo das linhas do campo magnético da Terra. Mas algumas das bolhas se assemelham a formas curvas, que parecem Cs ou Cs invertidos, e os cientistas pensam que podem ser moldadas pelos ventos da Terra.

Enquanto as formas dessa letra podem se desenvolver se os ventos aumentarem com a altitude, os Cs invertidos podem se configurar se os ventos diminuírem com a altitude, de acordo com modelos de pesquisa.

“É um pouco como uma árvore crescendo em uma área ventosa,” disse Klenzing. “Se os ventos são tipicamente para o leste, a árvore começa a se inclinar e crescer nessa direção.”

Mas a Gold observou bolhas de plasma em forma de C e C invertido incomumente próximas, a apenas cerca de 644 quilômetros de distância, ou aproximadamente a distância entre Baltimore e Boston, de acordo com um estudo de novembro de 2023 publicado no Journal of Geophysical Research: Space Physics.

“Dentro dessa proximidade, essas duas bolhas de plasma com formas opostas nunca haviam sido pensadas, nunca haviam sido imaginadas,” disse Deepak Karan, cientista pesquisador no Laboratório de Física Atmosférica e Espacial da Universidade do Colorado. Karan trabalha na missão Gold e é o autor principal do estudo sobre a forma em C e coautor do estudo sobre a forma em X.

Atividade semelhante a um tornado, deformação da corrente de ar ou um vórtice poderia estar criando uma turbulência na atmosfera que causa mudanças nos padrões de vento em uma área tão pequena, disse Karan. Mas eles nunca esperavam ver bolhas estruturadas tão opostamente tão próximas.

“O fato de termos formas muito diferentes de bolhas tão próximas nos diz que a dinâmica da atmosfera é mais complexa do que esperávamos,” disse Klenzing.

Até agora, o Gold observou apenas duas instâncias dessas estruturas próximas, mas as bolhas em forma de C têm o potencial de interromper comunicações.

“É realmente importante descobrir por que isso está acontecendo,” disse Karan. “Se um vórtice ou uma deformação muito forte no plasma acontecer, isso distorcerá completamente as partículas naquela região. Os sinais serão completamente perdidos com uma perturbação forte como essa.”

Karan disse que esses vórtices, que podem durar horas, se assemelham a tornados que ocorrem na atmosfera inferior da Terra, mas o enigma que os cientistas não conseguem resolver é como as estruturas se formam na ionosfera durante o “tempo calmo.”

“Desvendar o mistério dessas formações de bolhas de plasma não é apenas uma curiosidade científica, mas também de importância prática para mitigar os efeitos adversos nos sistemas de comunicação e navegação,” disse ele.

Tentativas de entender como as bolhas se formam tão próximas com as ferramentas de modelagem atuais têm sido malsucedidas, disse Karan. Ele espera que, ao publicar a pesquisa e incluir todos os possíveis mecanismos de estruturação, a comunidade científica possa se unir para resolver o mistério.

Um tesouro de dados do Gold

A missão Gold é bastante adequada para capturar características inesperadas na ionosfera devido à sua órbita. Enquanto missões anteriores de satélites podiam capturar apenas uma pequena parte de um evento em uma dimensão, este projeto pode tirar várias imagens de um evento ao longo de horas, disse Laskar. E ele espera que ainda mais características surpreendentes sejam reveladas nos dados no futuro.

“Devido a essa ampla visão e medições contínuas, a Gold nos permitiu observar esses mistérios dentro da ionosfera,” disse Karan. Ele disse que ainda há muitas perguntas sem resposta sobre essa camada atmosférica, como as mudanças na atmosfera inferior e a atividade solar influenciam o movimento das partículas carregadas na ionosfera.

Dado que as tempestades solares podem aumentar devido ao Sol se aproximando do pico de seu ciclo de 11 anos, chamado máximo solar, os astrônomos também querem ter uma melhor compreensão de como a composição da ionosfera muda durante esses eventos, porque inchaços repentinos de partículas carregadas podem aumentar o arrasto nos satélites e encurtar suas vidas úteis, disse Karan.

Correntes elétricas também fluem na ionosfera, e um aumento delas durante tempestades solares pode danificar linhas de transmissão e transformadores terrestres, disse ele.

Durante a tempestade geomagnética de 10 de maio que atingiu a Terra, a empresa de tratores John Deere relatou que alguns clientes dependentes de GPS para agricultura de precisão experimentaram uma interrupção.

“O maior impacto na indústria agrícola centrou-se nos sistemas de orientação por GPS,” disse Tim Marquis, gerente sênior de produtos da John Deere, em um comunicado. “Os receptores de GPS funcionam quando um sinal é recebido em intervalos regulares, muito parecido com um compasso de um metrônomo, de um satélite em órbita.

Durante tempestades solares, esse sinal atinge uma ‘névoa’ de partículas carregadas e pode ser perdido. E as máquinas não podem saber precisamente onde estão devido a essa interferência.”

Os resultados pendentes dos estudos dos dados do Gold durante a tempestade geomagnética de 10 de maio podem ajudar os astrônomos no desenvolvimento de um sistema de previsão do clima espacial, disse Laskar.

“Uma coisa que precisamos ter é um sistema de previsão do clima espacial que possa nos dizer quando teremos problemas com sinais de GPS e quando as órbitas dos satélites podem precisar ser ajustadas para evitar colisões catastróficas,” ele disse.

Perder um sinal de GPS na Terra não é apenas irritante para pessoas tentando encontrar um local onde nunca estiveram. Os sinais de navegação são amplamente utilizados em transporte marítimo, terrestre, agricultura e construção também.

Quando bolhas, cristas ou tempestades solares perturbam a distribuição do plasma na ionosfera, os sinais de rádio passando pela camada atmosférica podem ser alterados, perdidos ou desaparecer, disse Karan.

“Pode haver impactos que ameaçam a vida devido à perda repentina de sinais de GPS em aeronaves, navios e automóveis, o que é ainda mais assustador de imaginar,” disse ele.

O Gold e conceitos de missões futuras poderiam ajudar os cientistas a entender melhor os fenômenos por trás dessas características X e C recentemente observadas — e até mesmo talvez prever tais mudanças antes que ocorram na ionosfera.

“Um dos desafios para os pesquisadores da ionosfera é eventualmente ser capaz de prever suas dinâmicas com antecedência,” disse Laskar, “para que possamos estar preparados para a perda de sinal de GPS e interrupções nas comunicações por satélite.”