Cinturão de Van Allen - Vento Solar- Auroras -Escudo invisível

 

 

Cinturões de Van Allen

Fazendo minhas navegações para descobrir e fazendo valer a frase sapere aude, deparei com o trabalho “O campo magnético da terra – de Caio Fábio Teixeira Correia da UFP” e do curso Magnetismo da terra Profa Kátia Pinheiro / Observatório Nacional usando-os como base entre outras fontes, então, de acordo com a máxima acima resolvi fazer a postagem sobre o cinturão de Van Allen e aparição do fenômeno das auroras.

Destarte, começo, em janeiro de 1958, a primeira missão da sonda americana “Explorer 1” foi lançada, contendo um experimento de raios cósmicos elaborado por um cientista americano, James Van Allen e seus estudantes de graduação.

O cientista Van Allen, foi responsável pelo desenho e construção do primeiro satélite americano lançado com sucesso, o Explorer 1, lançado em 31 de Janeiro de 1958, pela NASA, e que fez as primeiras detecções da radiação espacial.

Suas detecções foram um pouco confusas, por conta do alto índice de radiação, mas que mais tarde

foram esclarecidas pelo Explorer 3 (O lançamento do Explorer 2 falhou), dados do “Explorer 1” e “Explorer 3” foram estudados e os cientistas fizeram uma grande descoberta: a existência de uma região com formato de rosca com partículas carregadas que foram aprisionadas pelo campo magnético terrestre.

Esta região foi batizada com o nome de “Cinturão de Van Allen”, em homenagem ao seu descobridor.

                                     

Estes cinturões formam duas regiões anelares coaxiais com o eixo geomagnético. O cinturão interno contém principalmente prótons e o externo, elétrons energéticos e varia consideravelmente.

A região interna está a cerca de 3.000 km acima da superfície da Terra e com uma espessura de 5.000 km.

O Cinturão Interno também foi descoberto independentemente em 1958 pelos estadunidenses S. Fred Singer (U. de Maryland), Paul Kellogg (U. de Minnesota) e o russo S.N. Vernov (USSR) e confirmado em 1959, através de experimentos com foguetes levando filmes fotográficos especiais para detecção de partículas energéticas.

                                        
                            

O Cinturão Interno de Radiação é um subproduto da radiação cósmica da galáxia

(prótons e elétrons, principalmente, que bombardeiam a Terra de todas as direções). Embora a quantidade de energia recebida através desses raios cósmicos seja comparável à energia que recebemos das estrelas distantes, o cinturão acumula partículas durante anos, proporcionando uma população permanente de partículas carregadas.

Este Cinturão Interno de Radiação ocupa uma região compacta sobre o equador, tem uma

baixa densidade, mas suas partículas têm elevada energia, da escala de 10 a 100 meV, que

podem penetrar e danificar naves ou apresentar perigo para astronautas, em exposição

prolongada.

O Cinturão Externo de Van Allen foi descoberto pelas sondas espaciais Pioneer 3 e 4,

lançadas, respectivamente, em dezembro de 1958 e março de 1959. A Pioneer 3 não alcançou seu objetivo em comum com a sonda nº. 4, que era de alcançar a Lua, devido uma falha e alcançou 102.320 km de altitude, retornando à Terra para queimar na atmosfera. Mas ambas detectaram esse segundo cinturão de radiação. A Pioneer 4, após passar pela Lua ficou orbitando diretamente o Sol.

Partículas carregadas que penetram na magnetosfera são aprisionadas pelas linhas de campo geomagnético e formando os chamados cinturões de radiação Van Allen supra citados..

Dentro de cada cinturão, as partículas carregadas se movem de maneira helicoidal em torno das linhas de campo geomagnético, em decorrência de forças de Lorentz. 
A Força de Lorentz é a superposição da força elétrica, proveniente de um campo elétrico , com a força magnética, devida a um campo magnético , que atuam sobre uma partícula carregada elétricamente se movendo no espaço.  (fonte: Wikipedia)

A velocidade da partícula torna–se menor quando ela se aproxima da Terra, onde a intensidade do campo aumenta. Eventualmente, a velocidade da partícula chega a zero e reverte de sentido.

Isto faz com que as partículas caminhem de uma região polar a outra rapidamente ao longo das linhas de campo.

Para reforçar a ideia do movimento das partículas, adiciono o seguinte trecho:

“Em típicas linhas de campo, unidas à Terra em ambas as extremidades, tal movimento conduziria logo as partículas à atmosfera, aonde colidiriam e perderiam sua energia. Entretanto, uma característica adicional desse movimento orbital geralmente impede que isto aconteça: o

movimento da partícula retarda à medida que ela se move para as regiões onde o campo magnético é forte, chegando até a parar e inverter.

É como se as partículas fossem repelidas de tais regiões, um contraste interessante com o ferro, que é atraído para onde o campo magnético é forte.”(STERN, 2003).

          

Representação esquemática dos cinturões de Van Allen constituídos por partículas carregadas aprisionadas pelo campo magnético da Terra. O cinturão interno (1.000 a 3.000 km) contém principalmente prótons e o cinturão externo (20.000 a 30.000 km) contém elétrons energéticos (Fonte: Lowrie)

Já a região externa está entre 15.000 e 20.000 km acima da superfície terrestre e possui uma espessura que varia entre 6.000 e 10.000 km.

Alguns dos elétrons do anel externo podem ser acelerados. Esses elétrons podem provocar danos aos satélites artificiais, já que provocam descargas elétricas internas na eletrônica desses satélites. Essas descargas podem perturbar ou danificar permanentemente qualquer satélite que atravesse pelos cinturões, podendo afetar a transmissão de sinais de TV e telefone, sinal de GPS e navegação por rádio. Esse ambiente espacial de intensa radiação é também perigoso para os astronautas.

Durante uma tempestade magnética, a quantidade de elétrons pode aumentar cerca de mil vezes.

A atividade solar intensa faz com que o sol libere quantidades imensas de gás ionizado e devido à alta temperatura, este gás transforma-se em plasma.

O plasma: é o quarto estado físico da matéria. O primeiro é o sólido, mais frio. Quando aquecemos o sólido, o transformamos no estado líquido. Já quando aquecemos o líquido ele se transforma em gás. Quando aquecemos o gás, os átomos se “quebram” em partículas carregadas, transformando o gás em plasma. Este plasma ou vento solar é um fluxo de partículas eletricamente carregadas, formado principalmente por prótons, elétrons e alguns núcleos de hélio a uma velocidade aproximada de 600 km/s e com uma densidade média de 1,5 prótons por centímetro cúbico.

Este fluxo tem origem na Coroa Solar.

                                           

E à medida que deixa o Sol, leva consigo a polaridade do campo magnético de onde partiu, arrastando as linhas de campo para o espaço, formando o Campo Magnético 
                                                                                    
Interplanetário.                                   

                                       

(CMI), que nas proximidades do planeta Terra tem uma intensidade 10.000 vezes menor que o campo magnético da própria Terra, na superfície.

O plasma solar arrasta as linhas do campo magnético interno da Terra que tem o formato de um dipolo magnético comum.

Essa forma das linhas de campo demarca a magnetosfera que é a região ocupada pelas linhas do campo magnético terrestre.

                                        

E o vento solar leva as linhas de campo para um formato desigual das linhas no lado do dia e da noite, ou seja, o vento solar aproxima o campo magnético da terra.

A interação entre o plasma do vento solar e a magnetosfera é conhecida como
 “Conexão Sol-Terra”.

Apesar do vento solar transportar menos do que um milionésimo da energia eletromagnética do Sol, ele transfere para a magnetosfera e ionosfera centenas de bilhões de watts por dia, um valor comparável a geração de energia pelos humanos nesse mesmo período de tempo.

Radiação Cósmica Solar

(Trecho extraído de Astrobiologia -- Will Robson Monteiro Rocha)

O Sol emite dois tipos de radiação:

1. partículas pouco energéticas que fluem constantemente em direção à Terra.
2. altamente energéticas, que geralmente aparecem dentro do ciclo de 11 anos do máximo solar. Essa última pode alcançar a ordem de 10 GeV, que é perigoso para dispositivos eletrônicos e astronautas.

No entanto, objetos em LEO (veja postagem cinturão de Clark) são protegidos pelo campo magnético da Terra.

As partículas muito energéticas do Sol se tornam perigosas para órbitas de alta inclinação como as órbitas polares. 

Nesse caso, órbitas equatoriais são mais protegidas da radiação.

A figura abaixo mostra uma ilustração da interação do vento solar e o campo magnético Terrestre. 

Nessa figura como já mencionado no trecho sobre o vento solar, é possível perceber que as partículas que são defletidas pelo campo magnético alongam a estrutura das linhas de campo, mas dependem da pressão imposta pelo vento. 

Outras partículas são capturadas pelas linhas de campo e ocasionam as auroras boreais (Cúspide polar). 

                        

As órbitas equatoriais acabam tendo mais proteção das linhas de campo, do que as órbitas polares que estão mais próximas das partículas carregadas.

Aurora boreal

Uma tempestade magnética pode ser acompanhada pelo aparecimento de um dos fenômenos mais intensos e fascinantes que é observado no céu, denominado de aurora .

Aqui insiro a descrição da aurora que Segundo Costa (2001) :  

“Ali, a pelo menos 100 km da superfície, elétrons chocam-se com átomos de oxigênio e nitrogênio das moléculas da alta atmosfera, dando-lhes uma energia extra que, absorvida, provoca um estado excitado: os elétrons saltam para níveis mais energéticos e, como não podem manter-se nesse estado por muito tempo, retornam aos seus níveis de origem devolvendo a energia extra na forma de um fóton - ou um pulso de luz. Trilhões de átomos e moléculas no estado excitado produzirão a luz da aurora.”

Este fenômeno da natureza como visto surge nas altas latitudes, em ambos os hemisférios e formam as auroras boreais e austrais nas regiões polares norte e sul, respectivamente.

A aurora é causada por emissão de luz da atmosfera superior numa forma parecida com uma descarga elétrica.

Quando os elétrons atingem a alta atmosfera, no seu movimento espiral em torno das linhas de campo geomagnético, dois processos ocorrem:

1. 1- Partículas de alta energia, em colisão com as moléculas, vão retirar um elétron e ionizar as moléculas; com isto, dobra a quantidade de elétrons e aumenta a condutividade do meio.
2. 2- Para partículas de baixa energia, mas acima de certo valor limite, as moléculas da atmosfera recebem energia, tornam-se excitadas, dissipam energia através de emissão de luz – chamados fótons.

                              

                   Aurora Boreal, na Noruega, por Ole C. Salomonsen                 
 veja vídeo sobre Aurora boreal       https://vimeo.com/8218178

Sabemos que para átomos e moléculas, a excitação e emissão só podem ocorrer em determinados níveis de energia (níveis quantizados) e somente determinados comprimentos de onda de luz podem ser emitidos depois de um certo tempo após a sua excitação. As auroras ocorrem de forma similar às lâmpadas de néon; um tubo contendo gás é bombardeado por uma corrente elétrica.

Assim, as partículas (elétrons) liberam a energia correta para que o gás brilhe com uma cor característica.

As altitudes em que se formam as auroras são determinadas por:

1- a energia das partículas que chegam na atmosfera;
2- a composição e densidade da atmosfera;
3- os níveis de emissão permitidos das partículas da atmosfera;
4- a meia vida do estado de excitação para a emissão característica

Distribuição das partículas na atmosfera

Entre 60 e 100 km de altitude predominam moléculas de nitrogênio e oxigênio. Já entre 100 e 200 km, encontramos principalmente átomos de oxigênio e moléculas de nitrogênio. Acima de 200 km dominam os átomos de oxigênio.

Acima de 150 km, a densidade atmosférica é muito baixa de modo que teremos poucas colisões para excitar átomos e moléculas. Na atmosfera onde predominam hidrogênio e hélio, as colisões produzem somente níveis de pouca visão.

Embora, as emissões de moléculas de nitrogênio (cor rosa) sejam quase tão intensas quanto às de oxigênio (cor verde), para altitudes menores que 200 km, nossos olhos favorecem a visão da emissão do oxigênio (cor verde).

sto decorre do fato que a meia vida do oxigênio é de 3 / 4 de segundos, enquanto a meia vida do nitrogênio é quase instantânea.

                             

Conforme visto, as tempestades e o Vento Solar influenciam e interagem fortemente com o campo magnético de nosso planeta, formando anéis de partículas, ondas de choque, distorção no seu formato, auroras, entre outros fenômenos.

O campo magnético do planeta Terra é um dos diversos fatores fundamentais para a manutenção da vida, pois é essencial para o equilíbrio dos ciclos atmosféricos e geológicos, protegendo direta e indiretamente os seres vivos e possivelmente nosso lar não fosse capaz de sustentar a vida sem ele.

                                                           

Mais recentemente outra novidade sobre os cinturões de Van Allen foram descobertas, conforme o texto transcrito de The Celestial Mechanic vol.40 n° 12 e o qual apresento em uma tradução livre:

         
                         

Invisible shield found thousands of miles above Earth blocks 'killer electrons'

A team led by the University of Colorado Boulder has discovered an invisible shield some 7,200 miles above Earth that blocks so-called "killer electrons," which whip around the planet at near-light speed and have been known to threaten astronauts, fry satellites and degrade space systems during intense solar storms.

The barrier to the particle motion was discovered in the Van Allen radiation belts, two doughnut-shaped rings above Earth that are filled with high-energy electrons and protons, said distinguished Professor Daniel Baker, director of CU-Boulder's Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP). Held in place by Earth's magnetic field, the Van Allen radiation belts periodically swell and shrink in response to incoming energy disturbances from the sun.

As the first significant discovery of the space age, the Van Allen radiation belts were detected in 1958 by Professor James Van Allen and his team at the University of Iowa and were found to be composed of an inner and outer belt extending up to 25,000 miles above Earth's surface.

In 2013, Baker -- who received his doctorate under Van Allen -- led a team that used the twin Van Allen Probes launched by NASA in 2012 to discover a third, transient "storage ring" between the inner and outer Van Allen radiation belts that seems to come and go with the intensity of space weather.

The latest mystery revolves around an "extremely sharp" boundary at the inner edge of the outer belt at roughly 7,200 miles in altitude that appears to block the ultrafast electrons from breeching the shield and moving deeper towards Earth's atmosphere.

"It's almost like theses electrons are running into a glass wall in space," said Baker, the study's lead author. "Somewhat like the shields created by force fields on Star Trek that were used to repel alien weapons, we are seeing an invisible shield blocking these electrons. It's an extremely puzzling phenomenon."

A paper on the subject was published in the Nov. 27 issue of Nature

The team originally thought the highly charged electrons, which are looping around Earth at more than 100,000 miles per second, would slowly drift downward into the upper atmosphere and gradually be wiped out by interactions with air molecules.

But the impenetrable barrier seen by the twin Van Allen belt spacecraft stops the electrons before they get that far, said Baker.

The group looked at a number of scenarios that could create and maintain such a barrier. The team wondered if it might have to do with Earth's magnetic field lines, which trap and control protons and electrons, bouncing them between Earth's poles like beads on a string. The also looked at whether radio signals from human transmitters on Earth could be scattering the charged electrons at the barrier, preventing their downward motion. Neither explanation held scientific water, Baker said.

"Nature abhors strong gradients and generally finds ways to smooth them out, so we would expect some of the relativistic electrons to move inward and some outward," said Baker. "It's not obvious how the slow, gradual processes that should be involved in motion of these particles can conspire to create such a sharp, persistent bounda-ry at this location in space."

Another scenario is that the giant cloud of cold, electrically charged gas called the plasmasphere, which begins about 600 miles above Earth and stretches thousands of miles into the outer Van Allen belt, is scattering the elec-trons at the boundary with low frequency, electromagnetic waves that create a plasmapheric "hiss," said Baker. The hiss sounds like white noise when played over a speaker, he said.

While Baker said plasmaspheric hiss may play a role in the puzzling space barrier, he believes there is more to the story. "I think the key here is to keep observing the region in exquisite detail, which we can do because of the powerful instruments on the Van Allen probes. If the sun really blasts Earth's magnetosphere with a coronal mass ejection (CME), I suspect it will breach the shield for a period of time," said Baker, also a faculty member in the astro-physical and planetary sciences department.

"It's like looking at the phenomenon with new eyes, with a new set of instrumentation, which give us the detail to say, 'Yes, there is this hard, fast boundary,'" said John Foster, associate director of MIT's Haystack Observatory and a study co-author.

Escudo invisível encontrado a milhares de milhas sobre a Terra bloqueia “eletrons assassinos”

Uma equipe liderada pela University of Colorado Boulder descobriu um escudo invisível à quase 7.200 milhas acima da terra que bloqueia os chamados “elétrons assassinos” os quais se movem rápido e violentamente ao redor do planeta em velocidade próxima da luz e são conhecidos por ameaçarem a vida de astronautas, “fritarem” satélites e degradarem sistemas espaciais durante as intensas tempestades solares.

A barreira para a movimentação das partículas foi descoberto dentro dos cinturões de radiação Van Allen, dois anéis com forma de “rosca” sobre a terra que são preenchidos de elétrons e prótons com alta energia, conforme explicado pelo respeitado professor Daniel Baker, diretor do CU-Boulder's Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP).

Conservado em sua posição pelo campo magnético da Terra os cinturões de radiação de Van Allen periodicamente expandem-se ou encolhem em resposta ao recebimento de energia das perturbações vindas do sol.

Como a primeira significante descoberta da idade espacial, os cinturões de radiação de Van Allen foram detectados em 1058 pelo Professor James Van Allen e sua equipe na University of Iowa e foram explicados como sendo compostos de um cinto interno e outro externo, estendendo – se acima de 25,000 milhas acima da superfície da Terra.

Em 2013, Baker --- que recebeu seu doutorado sob a orientação de Van Allen – liderou a equipe que usou as sondas gêmeas de prova Van Allen lançadas pela NASA em 2012 para 

                                           

descobrir um terceiro, transitório “anel de armazenamento” entre o interno e o externo cinto de radiação de Van Allen que parece “vir e ir” de acordo com a intensidade do “clima” espacial.

O ultimo recente mistério gira ao redor de uma fronteira “extremamente definida” na borda dos cintos interno e externo em aproximadamente 7200 milhas de altitude que aparece para bloquear os ultra-rápidos elétrons oriundos do escudo e que movem-se para baixo em direção à atmosfera terrestre.

“Isto é quase como aqueles elétrons estivessem rumando para uma parede de vidro no espaço”. Comentou Baker, o autor que liderou o estudo. “Alguma coisa parecida com os escudos criados pelos campos de força na Star Trek que eram usados para repelirem às armas alienígenas, nos estamos percebendo um escudo invisível bloqueando estes elétrons. Isto é um fenômeno extremamente difícil de explicar e entender”.

Um paper sobre o assunto foi publicado na edição 27 de novembro da Nature.

A equipe originalmente pensou que a alta carga de elétrons, que está circulando ao redor da Terra e que move-se a mais de 100.000 milhas por segundo, poderia lentamente derivar para baixo dentro da atmosfera superior e gradualmente serem removidas pela interação com as moléculas do ar.

Mas a barreira impenetrável vistas pelas sondas gêmeas no cinturão Van Allen bloqueia os elétrons antes que eles se afastem para longe, comentou Baker.

O grupo procurou em variados cenários que poderiam criar e manter-se como uma barreira. A equipe imaginou se ela poderia estar relacionada com às linhas do campo magnético da Terra, as quais aprisionam e controlam prótons e elétrons, fazendo-os alternarem-se entre os pólos da Terra como pequenas esferas colocadas em uma linha (algo como um colar, pulseira etc..)

A procura também entre sinais de rádio vindos dos transmissões humanas na Terra, que poderiam espalhar a carga de elétrons na barreira, prevenindo sua movimentação na direção para baixo. Nenhuma explicação manteve-se possível na área cientifica, comentou Baker.

“A natureza abomina fortes variações e geralmente encontra meios para sutilmente altera-los, então nos podemos esperar que alguns dos elétrons relativísticos se movam para dentro e para fora”. comentou Baker.

“Entâo, não é óbvio, como os lentos e graduais processos que podem estar envolvidos no movimento destas partículas podem conspirar para criar uma definida, e persistente fronteira nesta posição do espaço”. 

Um outro cenário é que uma gigante nuvem de frio, um gás eletricamente carregado chamado de plasmafera, o qual inicia-se ao redor de 600 milhas acima da terra espalhando-se milhares de milhas dentro e fora do cinturão de Van Allen, é espalhando os elétrons na fronteira com baixa frequencia, que as ondas eletromagnéticas criam um “chiado” plasmaférico, de acordo com Baker.

O chiado é ouvido como um ruído branco, quando executado sobre um microfone.

Na sequencia Baker comentou que o chiado plasmaférico pode ter uma atuação importante dentro da intrigante barreira espacial, ele acredita que há ainda muito mais para se descobrir nesta história.

“Eu penso que a chave é manter a região sob observação nos mínimos detalhes, o que nós podemos fazer em função dos poderosos instrumentos nas sondas Van Allen. Se o sol realmente golpeia a magnetosfera da Terra com uma ejeção de massa coronal (CME), Eu suspeito que ele irá romper o escudo por um período de tempo”, comentou Baker, que também um professor adjunto no departamento de ciências astrofísicas e planetárias.

“Isto é como estar olhando para o fenômeno com novos olhos, com um novo conjunto de instrumentação, os quais nos dá detalhes para dizer, “Okay, existe esta dificuldade, fast boundary”, falou John Foster, diretor associado do MIT's Haystack Observatory e co-autor do estudo.

.                                            Vídeos sobre escudo

http://www.sciencedaily.com/videos/6f89a93eb92bfc61cf67b0477e165048.htm

 http://article.wn.com/view/2014/11/28/Video_NASAs_Van_Allen_probes_find_an_impenetrable_barrier_in/