Ficha de Inscrição de Projeto de Iniciação Científica. Edital 01/2013

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1 Ficha de Inscrição de Projeto de Iniciação Científica Edital 01/2013 Título do projeto: Estudo da Correlação do Fluxo de Raios Cósmicos e Fenômenos Atmosféricos Nome da aluna: Raquel Malta Nunes de Almeida RA da aluna: da aluna: raquel.malta7@gmail.com Nome do Orientador: Marcelo Augusto Leigui de Oliveira do orientador: leigui@ufabc.edu.br Palavras-chave do projeto: Raios cósmicos, Fluorescência atmosférica. Área de conhecimento do projeto: Física de Partículas Elementares e de Campos. Declaração de Interesse por Bolsa Declaro que a aluna Raquel Malta Nunes de Almeida nos termos do edital 01/2013 deseja participar do programa de Iniciação Científica como bolsista. Maio de 2013

2 Resumo Uma das questões mais intrigantes no estudo das mudanças climáticas é a relação de tais mudanças têm com a incidência de raios cósmicos galácticos. Este assunto tem atraído cada vez mais a atenção da comunidade científica internacional, pois alguns aspectos permanecem controversos. Sabe-se que a variabilidade climática solar tem sua influência no fluxo de raios cósmicos que chegam à Terra: quanto maior o vento solar menor a incidência de raios cósmicos e vice-cersa. Por outro lado, experimentos recentes demonstram que partículas carregadas dão origem a núcleos de condensação e, portanto, podem aumentar a cobertura de nuvens na Terra. Ademais, ao longo dos últimos anos, diversas reconstruções de mudanças climáticas do passado revelaram associações claras com raios cósmicos (registradas nos arquivos de isótopos cosmogênicos) fornecendo, assim, evidências para a influência solar e dos raios cósmicos no clima. Neste projeto de Iniciação Científica faremos uma revisão da física e da química atmosférica, dando especial atenção aos mecanismos físicos através dos quais os raios cósmicos interferem na formação de núcleos de condensação e no circuito elétrico global. Paralelamente, métodos estatísticos e de simulação computacional serão aplicados para estabelecer e quantificar as possíveis correlações que venham a ser encontradas. Palavras-chave: Raios Cósmicos, Mudanças Climáticas, Formação de Nuvens. I. INTRODUÇÃO Raios cósmicos galácticos são compostos, principalmente, por prótons de alta energia aceleradas por supernovas e outras fontes energéticas na Via Láctea. O fluxo principal encontra-se na região de energia de poucos GeV, embora o espectro se estenda por 11 ordens de magnitude de energia (vide figura 1), caindo abruptamente a cada década de energia. Basicamente, pode-se descrever o fluxo como uma lei de potência: df E γ de, onde γ 2.7 para E ev [1]. Figura 1: O espectro de energia de raios cósmicos. Os raios cósmicos primários interagem na atmosfera, tipicamente em altitudes da estratosfera, produzindo chuveiros de partículas secundárias que penetram na troposfera, podendo vir a atingir a superfície; abaixo de 7 km, os secundários são principalmente múons. As partículas carregadas dos chuveiros perdem energia por ionização e, longe de fontes continentais de radônio, são os principais responsáveis pela ionização de na troposfera, em condições de tempo bom. As taxas de produção de pares de íons variam de cerca de 2 cm 3 s 1 ao nível do solo, a 10 cm 3 s 1 a 5 km de altitude a entre 20 e 50 cm 3 s 1 a 15 km de altitude, dependendo da latitude geomagnética. Levando-se em conta as taxas de produção e os mecanismos de perda, tais 2

3 como recombinação e aderência a aerossóis, as concentrações de equilíbrio de pares iônicos variam de entre 200 a 500 cm 3 ao nível do solo a entre 1000 e 3000 cm 3 na estratosfera inferior [2]. O fluxo de raios cósmicos galácticos é modulado pelo energia vento solar (tipicamente em algumas dezenas de por cento, dependendo da latitude e da altitude), a intensidade do campo geomagnético e do ambiente galáctico do sistema solar. Uma vez que estes variam em períodos de dezenas de bilhões de anos, um suposto clima forçado por raios cósmicos galácticos tem o potencial de afetar o clima em todas as escalas de tempo. Duas classes diferentes de mecanismos têm sido propostos a fim de ligar o fluxo raios cósmicos galácticos às nuvens. A primeira hipótese é que a ionização devida aos raios cósmicos na atmosfera influencia a produção de novas partículas de aerossol na atmosfera, as quais, então, crescem e podem, eventualmente, aumentar o número de núcleos de condensação de nuvens, em que as gotas de nuvem se formam. A segunda hipótese é que a ionização modula a corrente elétrica de toda a ionosfera da Terra que, por sua vez, influencia as propriedades eletrostáticas das nuvens através do congelamento das gotículas, entre outros processos microfísicos. II. OBJETIVOS E METAS Como atividade principal coletaremos dados a respeito do fluxo de raios cósmicos e das variações das temperaturas médias na Terra em diversas épocas históricas. Tais informações serão confrontadas e métodos estatísticos empregados para verficar-se suas correlações, caso estas existam. Além disso, uma simulação computacional da formação de núvens será desenvolvida. Para tanto, alguns passos se farão necessários, de forma a capacitar a aluna do Bacharelado em Ciências e Tecnologia (BC&T) a realizar as atividades previstas no PDPD, a saber: 1. Estudar a história da formação e a estrutura básica da atmosfera; 2. Estudar termodinâmica e transferências radiativas aplicadas à atmosfera; 3. Estudar e escrever programas em linguagem C/C++; 4. Escrever um programa que simule a incidência de prótons na faixa de energia de GeV pela atmosfera, produzindo ionização; 5. Pesquisar os dados históricos sobre o fluxo de raios cósmicos e temperaturas no planeta Terra; 6. Estudar métodos estatísticos, aplicando-os às possíveis correlações; 7. Estender o programa para o problema da formação de núcleos de condensação; 8. Estender o programa para o problema da modulação da corrente elétrica global. Estas atividades tratam de problemas que fazem parte da vanguarda da Física Atmosférica e seus estudos fornecerão a base adequada para a estudante, interessada em prosseguir os estudos na área. Além disso, temos como objetivo geral do projeto a formação de recursos humanos, através do treinamento da candidata em métodos avançados de simulação. Outra meta a ser considerada é a apresentação e a publicação dos resultados em encontros nacionais ou internacionais da área e no Simpósio de Iniciação Científica da UFABC. III. METODOLOGIA Os aerossóis são continuamente removidos da atmosfera por sedimentação úmida e seca, por auto-coagulação e por limpeza nas nuvens. Como resultado, eles têm curto tempo de vida da ordem de um dia e a taxa com que novos aerossóis são produzidos pode ter uma grande influência sobre as nuvens. Imagina-se que uma importante fonte de novos aerossóis seja a nucleação proveniente de traços de vapores condensáveis na atmosfera, mas estes processos continuam sendo pouco compreendidos (vide figura 2) [3]. A atmosfera contém muitos poucos gases que são adequados para nucleação, o mais importante é o ácido sulfúrico, embora os óxidos de amoníaco e de iodo podem também ser significativos. No entanto, a concentração de ácido sulfúrico na atmosfera é geralmente muito baixa para impulsionar o subseqüente crescimento para tamanhos de núcleos de condensação. Sobre os continentes, compostos orgânicos, tais como acetona e os produtos da oxidação de terpenos, emitidos por 3

4 Figura 2: Nucleação induzida por íons de novas partículas de aerossóis, a partir de traços de vapores condensáveis e de água na atmosfera [4]. árvores, são considerados importantes para o crescimento dos aerossóis. Em regiões marinhas, produtos da oxidação do isopreno e de óxidos de iodo são apontados para participar no crescimento dos aerossóis. O circuito elétrico atmosférico envolve uma corrente global de cerca de 1400 A (a 400 MW) que é sustentada por tempestades ativadas continuamente sobre terras tropicais (vide figura 3) [5] [6]. As tempestades transportam cargas negativas para o chão e uma corrente positiva equivalente flui até a ionosfera. Devido às altas correntes, grandes campos elétricos são gerados acima das tempestades e o ar pode quebrar eletricamente para produzir flashes ópticos conhecidos como duendes e elfos. Este gerador de corrente mantém a ionosfera a um potencial positivo em relação à Terra de cerca de 250 kv. A corrente de retorno entre a ionosfera e a superfície flui por toda a atmosfera, em regiões de tempo perturbado ou de tempo bom e é realizada pelo arraste vertical de íons pequenos; densidade média de corrente vertical de bom tempo J z, é de 2,7 pa m 2 [5] [6]. Ao controlar a concentração de pares de íons da baixa atmosfera, os raios cósmicos galácticos podem afectar J z, a condutividade da atmosférica, o potencial da ionosfera, e o gradiente vertical de potencial na atmosfera. Nas regiões polares, estas quantidades são também influenciadas por partículas ionizantes de baixa energia da precipitação de elétrons relativísticos ( 1 MeV), o que pode ocorrer durante a travessia de limites setoriais magnéticos do vento solar. Figura 3: Representação esquemática do circuito elétrico global [4]. De posse dos dados de fluxo de raios cósmicos e de temperaturas (ao longo de alguns milhares de anos passados) poderemos aplicar métodos estatísticos para testar a correlação (ou anti-correlação) entre estas variáveis. Em estatística descritiva, um dos métodos mais utilizados é o da determinação do coeficiente de correlação produto-momento ou ρ de Pearson, que mede o grau e a direção da correlação entre duas variáveis. O coeficiente pode ser calculado por: n i=1 ρ = (x i x)(y i ȳ) n i=1 (x i x) 2 n i=1 (y i ȳ) = cov(x, y) (1) 2 var(x) var(y) onde x i e y i são as ocorrrências (medidas) das variáveis e x e ȳ suas médias. 4

5 No que se segue, caso: ρ = 1, teremos perfeita correlação (positiva) entre as variáveis; ρ = 1, teremos perfeita anti-correlação (negativa) entre as variáveis; ρ = 0, teremos não-correlação linear entre as variáveis, podendo haver ainda dependência não-linear. Ademais, caso: ρ > 0, 7 a correlação (ou anti-correlação) é dita forte; 0, 3 ρ 0, 7 a correlação (ou anti-correlação) é dita moderada; ρ < 0, 3 a correlação (ou anti-correlação) é dita fraca; Além das atividades de pesquisa citadas, a aluna deverá participar de reuniões periódicas com o grupo e o orientador em que serão discutidos aspectos técnicos (teóricos ou experimentais) da pesquisa na área. IV. CRONOGRAMA O cronograma das atividades a serem realizadas no presente projeto resume-se às seguintes etapas básicas: Estudo da formação e da estrutura atmosférica (1 mês); Estudos da termodinâmica e transferência radiativa na atmosfera (1 mês); Estudos sobre a linguagem de programação (1 mês); Desenvolvimento da simulação de incidência de prótons e ionização atmosférica (2 meses); Elaboração do relatório parcial (1 mês); Coleta de dados históricos sobre o fluxo de raios cósmicos e das temperaturas terrestres (1 mês) Estudo de estatística e métodos de correlação (1 mês); Desenvolvimento da simulação da formação de núcleos de condensação (2 meses); Desenvolvimento da simulação de modulação da corrente elétrica global (1 meses); Elaboração do relatório final (1 mês). V. CONCLUSÃO A influência dos raios cósmicos no clima são um dos grandes problemas em aberto na climatologia da atualidade: os detalhes sobre os mecanismos de formação de núcleos de condensação e a modulação das correntes no circuito elétrico globlal permanecem como mistérios a serem elucidados. Apesar de alguns progressos terem sido feitos em tais questões, ainda há longo caminho a ser percorrido, como por exemplo, explicar o processo da formação dos núcleos de condensação às nuvens propriamente ditas. Neste projeto de iniciação científica, apresentamos uma proposta para a inserção da candidata em trabalhos atuais relacionados ao estudo da influência dos raios cósmicos no clima global. Aproveitando dos vários anos de experiência profissional do orientador na área, bem como contando com sua participação em importantes colaborações, temos total capacidade de desenvolver a orientação proposta no âmbito do programa de Iniciação Científica da UFABC com êxito. 5

6 VI. REFERÊNCIAS [1] S. Eidelman et al., Phys. Lett. B592, 1 (2004); available online at [2] V.I. Ermakov, G.A. Bazilevskaya, P.E. Pokrevsky and Y.I. Stozhkov, Ion balance equation in the atmosphere, J. Geophys. Res. 102, (1997). [3] M. Kulmala, H. Vehkamaki, T. Petajda, M. Dal Maso, A. Lauri, V.M. Kerminen, W. Birmili and P.H. McMurry, Formation and growth rates of ultrafine atmospheric particles: a review of observations, J. Atm. Sci. 35, (2004). [4] J. Kirkby, Cosmic Rays and Climate, Surveys in Geophysics 28, (2007); arxiv: v1. [5] J.H. Kraakevik, Measurements of current density in the fair weather atmosphere, J. Geophys. Res. 66, (1961). [6] M.J. Rycroft, S. Israelsson and C. Price, The global atmospheric electric circuit, solar activity and climate change, J. Atm. Sol. Terr. Phys. 62, (2000). 6