Pesquisadores da NASA rastreiam a divisão lenta do 'dente' no campo magnético da Terra.

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Uma pequena mas em evolução no campo magnético da Terra pode causar grandes dores de cabeça para os satélites.

O Campo magnético da terra atua como um escudo protetor ao redor do planeta, repelindo e prendendo as partículas carregadas do sol. Mas na América do Sul e no sul do Oceano Atlântico, um ponto excepcionalmente fraco no campo - chamado de Anomalia do Atlântico Sul, ou SAA - permite que essas partículas mergulhem mais perto da superfície do que o normal. A radiação de partículas nesta região pode derrubar os computadores de bordo e interferir na coleta de dados dos satélites que passam por ela - um dos principais motivos pelos quais os cientistas da NASA desejam rastrear e estudar a anomalia.

A anomalia do Atlântico Sul também é de interesse para os cientistas da Terra da NASA que monitoram as mudanças na força do campo magnético ali, tanto para saber como essas mudanças afetam a atmosfera da Terra e como um indicador do que está acontecendo com os campos magnéticos da Terra, nas profundezas do globo.

Atualmente, o SAA não cria impactos visíveis na vida diária na superfície. No entanto, observações e previsões recentes mostram que a região está se expandindo para o oeste e continuando a enfraquecer em intensidade. Também está se dividindo - dados recentes mostram que o vale da anomalia, ou região de força de campo mínima, se dividiu em dois lóbulos, criando desafios adicionais para missões de satélite.

Uma série de cientistas da NASA em grupos de pesquisa geomagnética, geofísica e heliofísica observam e modelam o SAA, para monitorar e prever mudanças futuras - e ajudar a se preparar para desafios futuros para satélites e humanos no espaço.

É o que está dentro que conta

A anomalia do Atlântico Sul surge de duas características do núcleo da Terra: a inclinação de seu eixo magnético e o fluxo de metais derretidos em seu núcleo externo.

A Terra é um pouco como uma barra magnética, com os pólos norte e sul que representam polaridades magnéticas opostas e linhas de campo magnético invisíveis circundando o planeta entre eles. Mas, ao contrário de um ímã em barra, o campo magnético do núcleo não está perfeitamente alinhado pelo globo, nem é perfeitamente estável. Isso porque o campo se origina no núcleo externo da Terra: fundido, rico em ferro e em movimento vigoroso a 1.800 milhas abaixo da superfície. Esses metais agitados agem como um grande gerador, chamado geodinamo, criando correntes elétricas que produzem o campo magnético.

À medida que o movimento do núcleo muda ao longo do tempo, devido às complexas condições geodinâmicas dentro do núcleo e na fronteira com o manto sólido acima, o campo magnético também flutua no espaço e no tempo. Esses processos dinâmicos no núcleo se propagam para o campo magnético ao redor do planeta, gerando o SAA e outras características no ambiente próximo à Terra - incluindo a inclinação e a deriva dos pólos magnéticos, que se movem ao longo do tempo. Essas evoluções no campo, que acontecem em uma escala de tempo semelhante à convecção de metais no núcleo externo, fornecem aos cientistas novas pistas para ajudá-los a desvendar a dinâmica do núcleo que impulsiona o geodinamo.

"O campo magnético é na verdade uma superposição de campos de muitas fontes atuais", disse Terry Sabaka, geofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. Regiões fora da Terra sólida também contribuem para o campo magnético observado. No entanto, disse ele, a maior parte do campo vem do núcleo.

As forças no núcleo e a inclinação do eixo magnético juntas produzem a anomalia, a área de magnetismo mais fraco - permitindo que partículas carregadas presas no campo magnético da Terra mergulhem mais perto da superfície.

O Sol expele um fluxo constante de partículas e campos magnéticos conhecidos como vento solar e vastas nuvens de plasma quente e radiação, chamadas de ejeções de massa coronal. Quando este material solar flui através do espaço e atinge a magnetosfera da Terra, o espaço ocupado pelo campo magnético da Terra, ele pode ficar preso e preso em dois cinturões em forma de rosca ao redor do planeta chamados de cintos de Van Allen. Os cinturões restringem as partículas de viajar ao longo das linhas do campo magnético da Terra, continuamente saltando de um pólo a outro. O cinturão mais interno começa a cerca de 400 milhas da superfície da Terra, o que mantém sua radiação de partículas a uma distância saudável da Terra e de seus satélites em órbita.

No entanto, quando uma tempestade particularmente forte de partículas do Sol atinge a Terra, os cinturões de Van Allen podem ficar altamente energizados e o campo magnético pode ser deformado, permitindo que as partículas carregadas penetrem na atmosfera.

"A SAA observada também pode ser interpretada como uma consequência do enfraquecimento da dominância do campo dipolo na região", disse Weijia Kuang, geofísica e matemática do Laboratório de Geodésia e Geofísica de Goddard. "Mais especificamente, um campo localizado com polaridade invertida cresce fortemente na região SAA, tornando a intensidade do campo muito fraca, mais fraca do que nas regiões circundantes."

Um buraco no espaço

Embora a anomalia do Atlântico Sul surja de processos dentro da Terra, ela tem efeitos que vão muito além da superfície da Terra. A região pode ser perigosa para satélites em órbita baixa da Terra que viajam por ela. Se um satélite for atingido por um próton de alta energia, ele pode entrar em curto-circuito e causar um evento denominado transtorno de evento único ou SEU. Isso pode fazer com que a função do satélite sofra uma falha temporária ou pode causar danos permanentes se um componente importante for atingido. Para evitar a perda de instrumentos ou de um satélite inteiro, os operadores geralmente desligam componentes não essenciais à medida que passam pelo SAA. Na verdade, o Ionospheric Connection Explorer da NASA viaja regularmente pela região e, portanto, a missão mantém um controle constante sobre a posição da SAA.

Quando o material solar atinge a magnetosfera da Terra, ele pode ficar preso e preso em dois cinturões em forma de rosquinha ao redor do planeta chamados de cinturões de Van Allen. Os cinturões restringem as partículas de viajar ao longo das linhas do campo magnético da Terra, continuamente saltando de um pólo a outro. Crédito: NASA Goddard / Tom Bridgman

A Estação Espacial Internacional, que está em órbita baixa da Terra, também passa pela SAA. Está bem protegido e os astronautas estão protegidos contra danos enquanto estiverem lá dentro. No entanto, a ISS tem outros passageiros afetados pelos níveis de radiação mais altos: Instrumentos como a missão Global Ecosystem Dynamics Investigation, ou GEDI, coletam dados de várias posições do lado de fora da ISS. A SAA causa "blips" nos detectores do GEDI e reinicializa os painéis de energia do instrumento cerca de uma vez por mês, disse Bryan Blair, investigador principal adjunto da missão e cientista de instrumentos, e cientista de instrumentos lidar em Goddard.

"O campo magnético é na verdade uma superposição de campos de muitas fontes atuais", disse Terry Sabaka, geofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. Regiões fora da Terra sólida também contribuem para o campo magnético observado. No entanto, disse ele, a maior parte do campo vem do núcleo.

As forças no núcleo e a inclinação do eixo magnético juntas produzem a anomalia, a área de magnetismo mais fraco - permitindo que partículas carregadas presas no campo magnético da Terra mergulhem mais perto da superfície.

O Sol expele um fluxo constante de partículas e campos magnéticos conhecidos como vento solar e vastas nuvens de plasma quente e radiação, chamadas de ejeções de massa coronal. Quando este material solar flui através do espaço e atinge a magnetosfera da Terra, o espaço ocupado pelo campo magnético da Terra, ele pode ficar preso e preso em dois cinturões em forma de rosca ao redor do planeta chamados de cintos de Van Allen. Os cinturões restringem as partículas de viajar ao longo das linhas do campo magnético da Terra, continuamente saltando de um pólo a outro. O cinturão mais interno começa a cerca de 400 milhas da superfície da Terra, o que mantém sua radiação de partículas a uma distância saudável da Terra e de seus satélites em órbita.

No entanto, quando uma tempestade particularmente forte de partículas do Sol atinge a Terra, os cinturões de Van Allen podem ficar altamente energizados e o campo magnético pode ser deformado, permitindo que as partículas carregadas penetrem na atmosfera.

"A SAA observada também pode ser interpretada como uma consequência do enfraquecimento da dominância do campo dipolo na região", disse Weijia Kuang, geofísica e matemática do Laboratório de Geodésia e Geofísica de Goddard. "Mais especificamente, um campo localizado com polaridade invertida cresce fortemente na região SAA, tornando a intensidade do campo muito fraca, mais fraca do que nas regiões circundantes."

Um buraco no espaço

Embora a anomalia do Atlântico Sul surja de processos dentro da Terra, ela tem efeitos que vão muito além da superfície da Terra. A região pode ser perigosa para satélites em órbita baixa da Terra que viajam por ela. Se um satélite for atingido por um próton de alta energia, ele pode entrar em curto-circuito e causar um evento denominado transtorno de evento único ou SEU. Isso pode fazer com que a função do satélite sofra uma falha temporária ou pode causar danos permanentes se um componente importante for atingido. Para evitar a perda de instrumentos ou de um satélite inteiro, os operadores geralmente desligam componentes não essenciais à medida que passam pelo SAA. Na verdade, o Ionospheric Connection Explorer da NASA viaja regularmente pela região e, portanto, a missão mantém um controle constante sobre a posição da SAA.

Quando o material solar atinge a magnetosfera da Terra, ele pode ficar preso e preso em dois cinturões em forma de rosquinha ao redor do planeta chamados de cinturões de Van Allen. Os cinturões restringem as partículas de viajar ao longo das linhas do campo magnético da Terra, continuamente saltando de um pólo a outro. Crédito: NASA Goddard / Tom Bridgman

A Estação Espacial Internacional, que está em órbita baixa da Terra, também passa pela SAA. Está bem protegido e os astronautas estão protegidos contra danos enquanto estiverem lá dentro. No entanto, a ISS tem outros passageiros afetados pelos níveis de radiação mais altos: Instrumentos como a missão Global Ecosystem Dynamics Investigation, ou GEDI, coletam dados de várias posições do lado de fora da ISS. A SAA causa "blips" nos detectores do GEDI e reinicializa os painéis de energia do instrumento cerca de uma vez por mês, disse Bryan Blair, investigador principal adjunto da missão e cientista de instrumentos, e cientista de instrumentos lidar em Goddard.

"O campo magnético é na verdade uma superposição de campos de muitas fontes atuais", disse Terry Sabaka, geofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. Regiões fora da Terra sólida também contribuem para o campo magnético observado. No entanto, disse ele, a maior parte do campo vem do núcleo.

As forças no núcleo e a inclinação do eixo magnético juntas produzem a anomalia, a área de magnetismo mais fraco - permitindo que partículas carregadas presas no campo magnético da Terra mergulhem mais perto da superfície.

O Sol expele um fluxo constante de partículas e campos magnéticos conhecidos como vento solar e vastas nuvens de plasma quente e radiação, chamadas de ejeções de massa coronal. Quando este material solar flui através do espaço e atinge a magnetosfera da Terra, o espaço ocupado pelo campo magnético da Terra, ele pode ficar preso e preso em dois cinturões em forma de rosca ao redor do planeta chamados de cintos de Van Allen. Os cinturões restringem as partículas de viajar ao longo das linhas do campo magnético da Terra, continuamente saltando de um pólo a outro. O cinturão mais interno começa a cerca de 400 milhas da superfície da Terra, o que mantém sua radiação de partículas a uma distância saudável da Terra e de seus satélites em órbita.

No entanto, quando uma tempestade particularmente forte de partículas do Sol atinge a Terra, os cinturões de Van Allen podem ficar altamente energizados e o campo magnético pode ser deformado, permitindo que as partículas carregadas penetrem na atmosfera.

"A SAA observada também pode ser interpretada como uma consequência do enfraquecimento da dominância do campo dipolo na região", disse Weijia Kuang, geofísica e matemática do Laboratório de Geodésia e Geofísica de Goddard. "Mais especificamente, um campo localizado com polaridade invertida cresce fortemente na região SAA, tornando a intensidade do campo muito fraca, mais fraca do que nas regiões circundantes."

Um buraco no espaço

Embora a anomalia do Atlântico Sul surja de processos dentro da Terra, ela tem efeitos que vão muito além da superfície da Terra. A região pode ser perigosa para satélites em órbita baixa da Terra que viajam por ela. Se um satélite for atingido por um próton de alta energia, ele pode entrar em curto-circuito e causar um evento denominado transtorno de evento único ou SEU. Isso pode fazer com que a função do satélite sofra uma falha temporária ou pode causar danos permanentes se um componente importante for atingido. Para evitar a perda de instrumentos ou de um satélite inteiro, os operadores geralmente desligam componentes não essenciais à medida que passam pelo SAA. Na verdade, o Ionospheric Connection Explorer da NASA viaja regularmente pela região e, portanto, a missão mantém um controle constante sobre a posição da SAA.

A Estação Espacial Internacional, que está em órbita baixa da Terra, também passa pela SAA. Está bem protegido e os astronautas estão protegidos contra danos enquanto estiverem lá dentro. No entanto, a ISS tem outros passageiros afetados pelos níveis de radiação mais altos: Instrumentos como a missão Global Ecosystem Dynamics Investigation, ou GEDI, coletam dados de várias posições do lado de fora da ISS. A SAA causa "blips" nos detectores do GEDI e reinicializa os painéis de energia do instrumento cerca de uma vez por mês, disse Bryan Blair, investigador principal adjunto da missão e cientista de instrumentos, e cientista de instrumentos lidar em Goddard.

"Esses eventos não causam dano ao GEDI", disse Blair. "Os blips do detector são raros em comparação com o número de disparos de laser - cerca de um blip em um milhão de disparos - e o evento da linha de redefinição causa algumas horas de perda de dados, mas isso só acontece a cada mês ou assim."

Além de medir a força do campo magnético da SAA , os cientistas da NASA também estudaram a radiação de partículas na região com o Solar, Anomalous e Magnetospheric Particle Explorer, ou SAMPEX - a primeira das missões Small Explorer da NASA, lançada em 1992 e fornecendo observações até 2012. Um estudo, liderado pela heliofísica da NASA Ashley Greeley como parte de sua tese de doutorado, usou duas décadas de dados da SAMPEX para mostrar que o SAA está vagarosamente, mas constantemente, à deriva na direção noroeste. Os resultados ajudaram a confirmar os modelos criados a partir de medições geomagnéticas e mostraram como a localização do SAA muda conforme o campo geomagnético evolui.

"Essas partículas estão intimamente associadas ao campo magnético, que orienta seus movimentos", disse Shri Kanekal, pesquisador do Laboratório de Física Heliosférica da NASA Goddard. "Portanto, qualquer conhecimento de partículas fornece informações sobre o campo geomagnético também."

Os resultados de Greeley, publicados na revista Space Weather, também foram capazes de fornecer uma imagem clara do tipo e quantidade de radiação de partículas que os satélites recebem ao passar pelo SAA, o que enfatizou a necessidade de monitoramento contínuo na região.

As informações que Greeley e seus colaboradores obtiveram das medições in-situ da SAMPEX também foram úteis para o projeto de satélites. Os engenheiros do satélite Low-Earth Orbit, ou LEO, usaram os resultados para projetar sistemas que impediriam um evento de travamento de causar falha ou perda da espaçonave.

Modelando um futuro mais seguro para satélites

Para entender como a SAA está mudando e se preparar para futuras ameaças a satélites e instrumentos, Sabaka, Kuang e seus colegas usam observações e física para contribuir com modelos globais do campo magnético da Terra.

A equipe avalia o estado atual do campo magnético usando dados da constelação do Enxame da Agência Espacial Europeia, missões anteriores de agências ao redor do mundo e medições do solo. A equipe de Sabaka separa os dados observacionais para separar sua fonte antes de passá-los para a equipe de Kuang. Eles combinam os dados classificados da equipe de Sabaka com seu modelo de dinâmica central para prever a variação geomagnética secular (mudanças rápidas no campo magnético) no futuro.

Os modelos geodinâmicos são únicos em sua capacidade de usar a física básica para criar previsões para um futuro próximo, disse Andrew Tangborn, matemático do Laboratório de Geodinâmica Planetária de Goddard.

"Isso é semelhante a como as previsões do tempo são produzidas, mas estamos trabalhando com escalas de tempo muito mais longas", disse ele. "Esta é a diferença fundamental entre o que fazemos em Goddard e a maioria dos outros grupos de pesquisa que modelam mudanças no campo magnético da Terra."

Uma dessas aplicações para a qual Sabaka e Kuang contribuíram é o International Geomagnetic Reference Field, ou IGRF. Usado para uma variedade de pesquisas, do núcleo aos limites da atmosfera, o IGRF é uma coleção de modelos candidatos feitos por equipes de pesquisa em todo o mundo que descrevem o campo magnético da Terra e rastreiam como ele muda com o tempo.

"Embora o SAA seja lento, ele está passando por algumas mudanças na morfologia, então também é importante que continuemos observando-o por meio de missões contínuas", disse Sabaka. "Porque é isso que nos ajuda a fazer modelos e previsões."

A mudança da SAA oferece aos pesquisadores novas oportunidades para entender o núcleo da Terra e como sua dinâmica influencia outros aspectos do sistema terrestre, disse Kuang. Ao rastrear esse "dente" de evolução lenta no campo magnético, os pesquisadores podem entender melhor a forma como nosso planeta está mudando e ajudar a se preparar para um futuro mais seguro para os satélites.

https://phys.org/news/2020-08-nasa-track-slowly-dent-earth.html