universo

Aurora Polar

Auroras boreais e austrais

O que é uma aurora polar?

Aurora boreal registada no Alaska hemisfério norte
Fig. 1 - Aurora boreal registada no Alaska
hemisfério norte

A aurora polar é um fenómeno ótico composto de um brilho observado nos céus noturnos nas regiões polares, em decorrência do impacto de partículas de vento solar e a poeira espacial encontrada na via láctea com a alta atmosfera da Terra, canalizadas pelo campo magnético terrestre.

Em latitudes do hemisfério norte é conhecida como aurora boreal (nome batizado por Galileu Galilei em 1619, em referência à deusa romana do amanhecer Aurora e ao seu filho Bóreas, representante dos ventos nortes), ou luzes do Norte(nome mais comum entre os escandinavos). Ocorre normalmente nas épocas de setembro a outubro e de março a abril.

Em latitudes do hemisfério sul é conhecida como aurora austral, nome batizado por James Cook, uma referência direta ao facto de estar no Sul.

O fenómeno não é exclusivo da Terra, sendo também observável noutros planetas do sistema solar como Júpiter, Saturno, Marte e Vénus. Da mesma maneira, o fenómeno não é exclusivo da natureza, sendo também reproduzível artificialmente através de explosões nucleares ou em laboratório.

A aurora aparece tipicamente tanto como um brilho difuso quanto como uma cortina estendida em sentido horizontal. Algumas vezes são formados arcos que podem mudar de forma constantemente. Cada cortina consiste de vários raios paralelos e alinhados na direção das linhas do campo magnético, sugerindo que o fenómeno no nosso planeta está alinhado com o campo magnético terrestre. Da mesma forma a junção de diversos fatores pode levar à formação de linhas aurorais de tonalidades de cor específicas.


A aurora polar terrestre

Aurora austral registada na Nova Zelândia
 hemisfério sul
Fig. 2 - Aurora austral registada na Nova Zelândia
hemisfério sul

A aurora polar terrestre é causada por eletrões de energia de 1 a 15 keV, além de protões e partículas alfa, sendo que a luz é produzida quando eles colidem com átomos da atmosfera do planeta, predominantemente oxigénio e azoto, tipicamente em altitudes entre 80 e 150 km.

Cada colisão emite parte da energia da partícula para o átomo que é atingido, um processo de ionização, dissociação e excitação de partículas. Quando ocorre ionização, eletrões saem do átomo, os quais carregam energia e criam um efeito dominó de ionização em outros átomos. A excitação resulta em emissão, levando o átomo a estados instáveis, sendo que estes emitem luz em frequências específicas enquanto se estabilizam. Enquanto a estabilização do oxigénio leva até um segundo para acontecer, o azoto estabiliza-se e emite luz instantaneamente. Tal processo, que é essencial para a formação da ionosfera terrestre, é comparável ao de um écran de televisão, no qual eletrões atingem uma superfície de fósforo, alterando o nível de energia das moléculas e resultando na emissão de luz.

De um modo geral, o efeito luminoso é dominado pela emissão de átomos de oxigénio em altas camadas atmosféricas (em torno de 200 km de altitude), o que produz a tonalidade verde. Quando a tempestade é forte, camadas mais baixas da atmosfera são atingidas pelo vento solar (em torno de 100 km de altitude), produzindo a tonalidade vermelho escura pela emissão de átomos de azoto (predominante) e oxigénio. Átomos de oxigénio emitem tonalidades de cores bastante variadas, mas as predominantes são o vermelho e o verde.

O fenómeno também pode ser observado com uma iluminação ultravioleta, violeta ou azul, originada por átomos de azoto, sendo que a primeira é um bom meio para observá-lo do espaço (mas não em terra firme, pois a atmosfera absorve os raios UV). O satélite da NASA Polar já observou o efeito em raios X, sendo que a imagem mostra precipitações de eletrões de alta energia.

A interação entre moléculas de oxigénio e azoto, ambas gerando tonalidades na faixa do verde, cria o efeito da "linha verde auroral". Da mesma forma a interação entre tais átomos pode produzir o efeito da "linha vermelha auroral", ainda que mais raro e presente em altitudes mais altas.

A Terra é constantemente atingida por ventos solares, um fluxo rarefeito de plasma quente (gás de eletrões livres e catiões) emitidos pelo Sol em todas as direções, um resultado de temperaturas muito elevadas da camada mais externa da estrela, a coroa solar. Durante tempestades magnéticas os fluxos podem ser bem mais fortes, assim como o campo magnético interplanetário entre os dois corpos celestes, causando distúrbios pela ionosfera em resposta às tempestades. Tais distúrbios afetam a qualidade da comunicação por rádio ou de sistemas de navegação, além de causar danos para astronautas em tal região, células solares de satélites artificiais, no movimento de bússolas e na ação de radares. A resposta da ionosfera é complexa e de difícil modelagem, dificultando a predição para tais eventos.

A magnetosfera terrestre é uma região do espaço dominada por seu campo magnético. Ela forma um obstáculo no caminho do vento solar, causando a sua dispersão à sua volta.

A largura da magnetosfera terrestre é de aproximadamente 190 000 km, e durante as noites uma longa cauda magnética é estendida para distâncias ainda maiores.

As auroras geralmente são confinadas em regiões de formato oval, próximas aos pólos magnéticos. Quando a atividade do efeito está calma, a região possui um tamanho médio de 3.000 km, podendo aumentar para 4.000 ou 5.000 km quando os ventos solares são mais intensos.

A fonte de energia da aurora é obtida pelos ventos solares fluindo pela Terra. Tanto a magnetosfera quanto os ventos solares podem conduzir eletricidade. É conhecido que se dois condutores elétricos ligados por um circuito elétrico são imersos em um campo magnético e um deles move-se relativamente ao outro, uma corrente elétrica será gerada no circuito. Geradores elétricos ou dínamos fazem uso de tal processo, mas condutores também podem ser constituídos de plasmas ou ainda outros fluidos. Seguindo a mesma idéia, o vento solar e a magnetosfera são fluidos condutores de eletricidade com movimento relativo, e são capazes de gerar corrente elétrica, que originam tal efeito luminoso.

Como os pólos magnético e geográfico do nosso planeta não estão alinhados, da mesma forma as regiões aurorais não estão alinhadas com o pólo geográfico. Os melhores pontos (chamados pontos de auge) para a observação de auroras encontram-se no Canadá para auroras boreais e na ilha da Tasmânia ou sul da Nova Zelândia para auroras austrais.


Uma aurora artificial

Uma aurora artificial
Fig. 3 - Uma aurora artificial

As auroras também podem ser formadas através de explosões nucleares em altas camadas da atmosfera (em torno de 400 km). Tal fenómeno foi demonstrado pela aurora artificial criada pelo teste nuclear nos estados unidos, denominado Starfish Prime em 9 de julho de 1962 (ver figura).

Nessa ocasião o céu da região do Oceano Pacífico foi iluminado pela aurora por mais de sete minutos.

Tal efeito foi previsto pelo cientista Nicholas Christofilos, que tinha trabalhado noutros projetos sobre explosões nucleares. De acordo com o veterano americano Cecil R. Coale, alguns hotéis no Havaí ofereceram "festas da bomba de arco-íris" nos terraços para acompanhar o Starfish Prime, contradizendo relatórios oficiais que indicavam que a aurora artificial era inesperada.

As simulações do efeito em laboratório começaram a ser feitas no final de século XIX pelo cientista norueguês Kristian Birkeland, que provou, utilizando uma câmara de vácuo e uma esfera, que os eletrões eram guiados em tal efeito para as regiões polares da esfera. Recentemente, pesquisadores conseguiram criar um efeito auroral modesto visível da terra ao emitir raios de rádio no céu noturno, tomando uma coloração verde. Da mesma forma que o fenómeno natural, as partículas atingiam a ionosfera, excitando os eletrões no plasma. Com a colisão dos eletrões com a atmosfera terrestre as luzes eram emitidas. Tal experiência também aumentou o conhecimento dos efeitos da ionosfera nas comunicações por rádio.


Auroras noutros planetas

Uma aurora em Júpiter
Fig. 4 - Uma aurora em Júpiter

Tanto Júpiter quanto Saturno também possuem campos magnéticos muito mais fortes que os do nosso planeta (Urano, Neptuno e Mercúrio também são magnéticos) e ambos possuem grandes cintos de radiação. O efeito da aurora polar tem sido observado em ambos, com o auxílio do telescópio Hubble.

Tais auroras parecem ser originadas pelo vento solar. Por outro lado, as luas de Júpiter, em especial Io, também são fontes poderosas de auroras. Elas são formadas a partir de correntes elétricas pelo campo magnético, geradas pelo mecanismo de dínamo relativo ao movimento entre a rotação do planeta e a translação de sua lua. Particularmente, Io possui vulcões ativos e ionosfera. As suas correntes geram emissão de ondas de rádio, que têm sido estudadas desde 1955.

Como as terrestres, as auroras de Saturno criam regiões ovais totais ou parciais em torno do pólo magnético. Por outro lado, as auroras daquele planeta costumam durar dias, diferentes das terrestres que duram apenas alguns minutos. Evidências mostram que a emissão de luz nas auroras de Saturno contam com a participação da emissão de átomos de hidrogénio.

Uma aurora foi recentemente detetada em Marte pela sonda espacial Mars Express durante as suas observações do planeta em 2004, com resultados publicados no ano seguinte. Marte possui um campo magnético mais fraco que o terrestre, e até então pensava-se que a falta de um campo magnético forte tornaria tal efeito impossível. Foi percebido que o sistema de auroras de Marte é bastante parecido com o da Terra, sendo comparável às nossas tempestades de baixa e média intensidade. Como o planeta está sempre direcionado para o nosso planeta com seu lado diurno, a observação de auroras é somente possível através de naves espaciais ou sondas investigando o lado noturno do planeta vermelho e nunca a partir da Terra.

Vénus, que não possui um campo magnético, apresenta também o fenómeno, no qual as partículas da atmosfera são diretamente ionizadas pelos ventos solares, fenómeno também presente na Terra.

Referências:

Wikipédia - Aurora polar