COMO OS CIENTISTAS RASTREIAM OS CICLOS SOLARES?

Todas as manhãs, o astrônomo Steve Padilla faz uma curta caminhada de sua casa até a base de uma torre que se eleva a 50 metros acima do solo. Aninhado nas montanhas de San Gabriel, a cerca de uma hora de carro ao norte de Los Angeles, o Observatório Mount Wilson há muito é um lar para a ciência espacial – é a casa de Padilla também, uma das vantagens de seu trabalho como observador do Sol do Monte Wilson. Mount Wilson tem várias sentinelas do sistema solar; o telescópio empoleirado no topo desta torre mantém uma vigilância constante do sol. Os observadores estudam o Sol de perto, para que possamos compreender melhor a vida e a atividade de nossa estrela.

Padilla embarca no elevador externo. Ele se prende a um arnês de segurança, que é preso à cabine ao ar livre, o mesmo usado todos os dias desde que o telescópio entrou em operação em 1912 (os cabos já foram substituídos).         

“Pode ser um pouco assustador em dias de vento”, disse Padilla.

No topo, Padilla ajusta um conjunto de espelhos que projeta uma imagem do Sol em uma sala de observação bem abaixo. De volta ao solo, ele usa uma série de lápis, com peso de grafite variável, para esboçar as manchas escuras na face do sol. Essa tarefa diária é a base do número de manchas solares, nosso mais longo registro de atividade solar. Os humanos observaram manchas solares – manchas escuras que surgem de forte atividade magnética – por mais de 1.000 anos, e as rastrearam em detalhes desde a invenção do telescópio, nos últimos 400 anos. Mesmo com a hoste moderna estudando o Sol, reservar um tempo para desenhar as manchas solares continua sendo a principal maneira de contá-las. Pesquisar as manchas solares é a maneira mais básica de estudar como a atividade solar aumenta e diminui ao longo do tempo, e é a base de como rastreamos o ciclo solar.

As manchas solares correspondem ao ciclo natural do Sol de 11 anos, no qual o Sol muda de relativamente calmo para tempestuoso. Em seu estado mais ativo, denominado máximo solar, o Sol é sardento com manchas solares e seus pólos magnéticos invertidos. (Na Terra, seria como se os Pólos Norte e Sul oscilassem a cada década.) Durante o mínimo solar, as manchas solares são poucas e distantes entre si. Freqüentemente, o Sol é tão vazio e sem características quanto uma gema de ovo.

Compreender o comportamento do Sol é uma parte importante da vida em nosso sistema solar. As poderosas explosões do Sol podem perturbar os satélites e os sinais de comunicação que viajam ao redor da Terra ou, um dia, os astronautas da Artemis explorando mundos distantes. Os cientistas da NASA estudam o ciclo solar para que possamos prever melhor a atividade solar. A partir de 2020, o Sol começou a sacudir o sono do mínimo, que ocorreu em dezembro de 2019. O Ciclo Solar 25 está em andamento e os cientistas estão ansiosos por outra chance de colocar sua compreensão dos sinais do ciclo solar à prova.

“A coisa mais importante a lembrar sobre as previsões é que você vai se enganar”, disse Dean Pesnell, especialista em ciclo solar do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. “Você nunca vai ser perfeito. É o que você aprende com isso que permite que você progrida em suas previsões. ” 

Durante o mínimo solar sonolento, Padilla observou mais dias sem manchas. “Não há pontos para desenhar, então só tenho um papel sem nada nele”, disse ele. Mesmo a ausência de manchas solares é uma observação útil: contabilizar dias sem manchas é um indicador de que o humor do Sol está mudando para o mínimo. (Em vez de manchas solares, buracos coronais escuros nublam os pólos do Sol, no mínimo.) Por outro lado, no máximo solar, centenas de manchas podem se formar de uma vez. Alguns desenhos podem levar várias horas para serem concluídos.

O GIF percorre vários desenhos a lápis de manchas solares rastreando as manchas solares conforme elas se movem no sol.
Desenhos de manchas solares da SILSO no Observatório Real da Bélgica. 
Pesquisar manchas solares com desenhos diários feitos à mão é a maneira mais básica de estudar como a atividade solar aumenta e diminui ao longo do tempo, e é a base de como rastreamos o ciclo solar.
Créditos: SILSO / Observatório Real da Bélgica

“O Sol tem seu próprio ritmo que não podemos acelerar”, disse Frédéric Clette, diretor do  Centro de Dados Mundial para o Índice de Manchas Solares e Observações Solares de Longo Prazo , ou SILSO, no Observatório Real da Bélgica em Bruxelas, que rastreia manchas solares e aponta os altos e baixos do ciclo solar. “Às vezes, temos dificuldade em controlar a impaciência das pessoas que esperam saber da noite para o dia se o Sol está realmente acordando de novo.”

Em todo o mundo, os observadores conduzem censos diários de manchas solares. Eles desenham o Sol no mesmo horário todos os dias, usando as mesmas ferramentas para manter a consistência. Juntas, suas observações compõem o número internacional de manchas solares, uma tarefa complexa executada pela SILSO. Cerca de 80 estações em todo o mundo contribuem com seus dados. O número exato de estações incluídas na contagem de cada dia depende de vários fatores como o clima (nuvens e ventos fortes obscurecem a visão do Sol) ou talvez um observador solar tenha um compromisso de última hora.

Apesar da interferência da vida diária, esses levantamentos manuais ainda são o registro de manchas solares mais confiável e de longo prazo que temos.

“Os satélites podem fazer muitas coisas melhor do que um desenho à mão”, disse Olivier Lemaître, observador solar do Observatório Real da Bélgica. “Mas considere um satélite com uma vida útil de 10 a 15 anos – isso é apenas um ciclo solar. Você não pode compará-lo a qualquer outra coisa fora desse período de vida. ”

Mas os estudos de longo prazo são a espinha dorsal da ciência do ciclo solar. Com extensos registros históricos, os cientistas podem traçar o arco de padrões de décadas no comportamento do Sol. Quando se trata de contar as manchas solares, não se trata tanto da precisão ou resolução das observações quanto da consistência dos próprios dados. Mesmo enquanto sua cidade estava fechada devido à pandemia de coronavírus, um observador da equipe do Observatório Real ia todos os dias para a torre do telescópio, para manter o registro intacto.

Lemaître aborda cada mancha solar desenhando metodicamente, delineando uma família de manchas solares antes de sombrear em detalhes mais finos. O delicado trabalho do lápis desmente as poderosas explosões que as manchas solares podem desencadear.

As manchas solares surgem de aglomerados de intensa energia magnética. Estimulados por sua força magnética, eles sobem através do material solar em agitação como um grão de arroz em uma panela fervente. As manchas solares parecem mais escuras porque são mais frias do que os arredores; o nó magnético em seu núcleo impede que a energia irradie além da superfície do sol. Quando energia magnética suficiente se acumula sobre a mancha solar, uma poderosa erupção pode estourar – como uma garrafa de refrigerante explodindo – expelindo luz e matéria solar.

Se por acaso estiverem voltados para a Terra, essas tempestades solares podem interromper satélites, astronautas e sinais de comunicação como rádio ou GPS. A atmosfera superior da Terra pode se expandir em resposta, reduzindo a velocidade dos satélites em órbita da mesma forma que estradas de cascalho desaceleram os carros, erodindo o tempo de vida dos satélites. Embora as mudanças no Sol geralmente não sejam visíveis para nós sem a ajuda de instrumentos científicos, elas impactam o espaço ao redor da Terra e outros planetas.

Perseguindo o mínimo solar

Nas profundezas do Sol, gases eletrificados fluem em correntes que geram o campo magnético do Sol, que alimenta suas explosões poderosas. Durante o mínimo solar, o campo magnético do Sol é relaxado. No auge do ciclo solar, é uma confusão emaranhada de linhas de campo magnético. Compreender esse fluxo, chamado de dínamo, é a chave no esforço de prever o que o Sol fará a seguir.

Desde 1989, o Solar Cycle Prediction Panel – um painel internacional de especialistas patrocinado pela NASA e NOAA, a National Oceanic and Atmospheric Administration – se reúne a cada década para fazer suas previsões para o próximo ciclo solar. A previsão inclui o número de manchas solares no máximo e o início e pico esperados do ciclo. O esforço requer a avaliação de muitos modelos diferentes e a navegação por muitas personalidades.

Duas imagens de satélite do sol.  Esquerda: sol mínimo solar com orifícios coronais.  À direita: sol máximo solar com regiões ativas.
Imagens do Solar Dynamics Observatory da NASA mostram o Sol perto do mínimo solar em outubro de 2019 e o último máximo solar em abril de 2014. Buracos coronais escuros cobrem o Sol durante o mínimo solar, enquanto as regiões ativas brilhantes – indicando mais atividade solar – cobrem o Sol durante o máximo solar .
Créditos: Solar Dynamics Observatory / Joy Ng da NASA

“Cada um de nós tem suas previsões favoritas, ou aquelas em que temos mais confiança”, disse Lisa Upton, uma física solar da Space Systems Research Corporation em Westminster, Colorado, e co-presidente do painel de previsões. “Nosso dever é chegar a um consenso. Se tomarmos todas as nossas opiniões e modelos, onde está a maior sobreposição, e onde podemos concordar que o ciclo solar vai pousar? ”

Os cientistas estão sempre buscando o mínimo solar, mas eles só podem reconhecê-lo em retrospectiva. Como o mínimo é definido pelo menor número de manchas solares em um ciclo solar, os cientistas precisam ver os números aumentarem antes de determinar quando estão no fundo.

Para complicar as coisas, os ciclos solares costumam se sobrepor. À medida que um ciclo faz a transição para o próximo, as manchas solares novas e antigas surgem no Sol ao mesmo tempo. As manchas solares costumam aparecer em grupos, que são como ímãs, cada um com uma extremidade positiva e outra negativa. À medida que o campo magnético do Sol muda lentamente, o mesmo ocorre com a polaridade dos grupos de manchas solares. Onde as manchas solares de um ciclo cruzam o Sol com sua extremidade positiva na liderança, as manchas do ciclo seguinte caminham primeiro com o pé negativo. Além disso, as manchas solares nos dois hemisférios do Sol também têm orientações opostas.

A assinatura magnética única de cada mancha solar torna possível determinar qual ciclo a produziu – o antigo ou o novo. Quando o Sol se move a partir do mínimo solar, além de contar as manchas solares , os cientistas querem ter certeza de que todas as manchas que sobem à superfície são realmente novas.

“Eu apenas advirto as pessoas, porque por mais animados que estejamos com o novo ciclo que está por vir, temos que esperar até realmente atingir o mínimo”, disse Upton. “Pode ser de seis a oito meses após o mínimo antes que possamos dizer que o mínimo realmente ocorreu.” Na verdade, só em setembro de 2020 os cientistas confirmaram que o Sol atingiu o mínimo solar em dezembro de 2019 . 

Indicadores invisíveis

Além das manchas solares, outros indicadores podem sinalizar quando o Sol está chegando ao seu ponto baixo. Se o campo magnético do Sol fosse um quebra-cabeça, ainda faltava uma peça: o campo magnético nos pólos. Embora os cientistas não consigam medir o campo magnético polar com a mesma precisão de outras partes do Sol, as estimativas fornecem pistas. (Em breve, a ESA, a Agência Espacial Europeia e o Solar Orbiter da NASA enviarão novas imagens dos pólos do Sol.) Em ciclos anteriores, os cientistas notaram a força do campo magnético polar durante o mínimo solar indica a intensidade do próximo máximo. Quando os pólos estão fracos, o próximo máximo é fraco e vice-versa.

Nos últimos ciclos, a intensidade do campo magnético nos pólos do Sol tem diminuído constantemente; o mesmo aconteceu com o número de manchas solares. Agora, os pólos são quase tão fortes quanto eram no mesmo ponto no último ciclo, o Ciclo 24.

“Este é o grande teste para nossos modelos – se o Ciclo 25 será mais ou menos o mesmo que o Ciclo 24”, disse Pesnell.

Outro indicador do progresso do ciclo solar vem de fora do sistema solar. Os raios cósmicos são fragmentos de partículas de alta energia, os escombros de estrelas explodidas em galáxias distantes. Durante o máximo solar, o forte campo magnético do Sol envolve nosso sistema solar em um casulo magnético que é difícil para os raios cósmicos se infiltrarem. Em anos de baixa atividade, o número de raios cósmicos no sistema solar aumenta à medida que mais e mais passam pelo Sol silencioso. Ao rastrear os raios cósmicos no espaço e no solo, os cientistas têm mais uma medida do ciclo solar.

Embora o mínimo possa não ter os fogos de artifício do máximo solar, é útil para os cientistas. Eles fazem suas previsões e esperam para ver como as estimativas se desenrolam. Alguns consideram que é um momento de voltar ao básico.

“No mínimo solar, você pode fazer perguntas mais difíceis do que no máximo”, disse Pesnell.

Uma área do estudo solar, chamada heliosismologia , envolve cientistas coletando ondas sonoras de dentro do Sol, como uma forma de sondar o dínamo indescritível. Durante o mínimo solar, eles não precisam se preocupar com as ondas sonoras refletindo nas manchas solares e nas regiões ativas características do máximo solar. Quando as manchas solares desaparecem de vista, os cientistas têm a chance de ajustar seus modelos – sem todo o drama solar.


Por Lina Tran
Goddard Space Flight Center da NASA , Greenbelt, Md.

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