MÓDULO 3.3: TEMPESTADES MAGNÉTICAS E

MÓDULO 3.3: TEMPESTADES MAGNÉTICAS E SEUS EFEITOS NAS COMUNICAÇÕES O campo magnético medido na superfície da Terra é resultado de diferentes fontes: o campo gerado no núcleo, o campo induzido na crosta e no manto e aquele gerado externamente pelo Sol. Os geofísicos podem desenvolver novas ideias tanto sobre o interior do nosso planeta, quanto sobre o ambiente espacial, sem mesmo sair da superfície terrestre, usando dados de observatórios magnéticos. A Terra e o Sol estão separados de cerca de 150 milhões de quilômetros, entretanto há uma forte conexão entre eles pelo fluxo de energia do Sol, que sustenta e permite a existência da vida na Terra. Mas apesar de todos os benefícios do Sol, ele também é capaz de causar prejuízos para a humanidade. O desenvolvimento de equipamentos acima da superfície terrestre é vulnerável a efeitos mais imediatos da variabilidade do sistema Sol- Terra. Neste tópico do curso explicaremos como o campo externo varia no período de dias e quais são os prejuízos possíveis no caso de tempestades magnéticas. pela variação diurna estão localizadas na região mais condutiva da ionosfera, chamada região E (entre 90 e 120 km). A variação diurna é diferente para cada latitude (Figura 1). Note, por exemplo, que o magnetograma de Huancayo (Peru) possui uma variação diurna mais intensa do que os demais observatórios. No lado diurno da Terra, há uma faixa de aproximadamente 5 o na região do equador magnético na qual ocorre um separação de cargas na ionosfera e um movimento na direção lesteoeste destas cargas. Com isso, há um fluxo concentrado de corrente elétrica no lado do dia nesta região do equador magnético, causando uma variação diurna mais pronunciada nos observatórios desta região, como é o caso de Huancayo. Variação Diurna do Campo Geomagnético A variação do campo magnético externo no período de dias é chamada de variação diurna, sendo caracterizada como calma (ou em inglês Sq de solar-quiet ) quando o campo magnético não é perturbado pela atividade solar. A variação diurna pode ser interpretada como uma superposição de ondas com períodos de 24 e 12 horas com uma amplitude da ordem de algumas dezenas de nt, seguindo o horário local. Estas variações são mais intensas no decorrer do dia e insignificantes durante a noite. As correntes elétricas responsáveis Figura 1. Variação diurna da componente horizontal do campo geomagnético (H) registrada em cinco observatórios com diferentes latitudes magnéticas, que são medidas de acordo com o dipolo terrestre inclinado de 11.5 o em relação ao eixo de rotação terrestre. Os dias do ano correspondem aos dias 8 de outubro (281) até o dia 12 de outubro (286) de 2003. 1

Características das Tempestades Magnéticas Von Humboldt, em 1808, foi o primeiro a descrever períodos ocasionais durante os quais medições magnética na superfície terrestre apresentavam variações muito intensas, rápidas e irregulares do campo geomagnético, diferentes das observadas nos dias calmos. A estas variações ele atribuiu o nome de tempestades magnéticas. As tempestades são causadas por ejeções abruptas ou de alta velocidade do plasma solar, que causam um estado de alta dinâmica na magnetosfera, dependente do tempo. A ejeção de massa coronal do Sol impulsiona bilhões de toneladas de partículas carregadas através do vento solar com velocidade de três a quatro vezes maior do que a velocidade normal. Nas tempestades há diferentes fases: a fase inicial (I) é aquela na qual há o registro de um abrupto impulso resultado da compressão da magnetopausa pelo vento solar e da conexão magnética (veja item 3.2 deste curso). A fase seguinte, chamada de principal (P), é caracterizada por uma diminuição da intensidade da componente H em baixas latitudes, resultado da corrente em anel (veja ítem 3.2 deste curso). A corrente em anel para oeste gera um campo magnético para o sul no seu interior. Como este campo gerado aponta na direção oposta ao campo magnético dipolar da Terra que aponta para o norte, esta corrente tende a diminuir a intensidade do campo magnético horizontal (H). A fase seguinte é chamada de fase de recuperação (R) na qual a corrente em anel diminui e retorna aos níveis de H, em baixas latitudes, de antes da ocorrência da tempestade (Figura 2). Apesar destas características gerais, cada tempestade magnética tem sua própria e única característica. Uma tempestade magnética pode durar desde algumas horas até alguns dias. As chamadas sub-tempestades apresentam durações mais curtas do que as tempestades magnéticas. A causa e efeitos das sub-tempestades é controversa, mas de modo geral acredita-se que são resultantes de um acúmulo de energia na cauda da magnetosfera que é liberada de uma só vez e um posterior desvio das correntes elétricas ao longo das linhas do campo geomagnético. Como resultado, ocorrem as auroras em altas latitudes. Mais detalhes sobre as auroras serão apresentados no próximo tópico do curso. Figura 2. Dados de oito observatórios magnéticos mostrando a intensidade da componente horizontal (H) durante a tempestade que ocorreu do dia 28 ao dia 31 de outubro de 2003. Os magnetogramas estão organizados por longitude em observatórios de baixas latitudes (vermelho) e altas latitudes (azul). Os círculos indicam anticorrelação entre locais de altas e baixas latitudes, que são sub-tempestades. As fases da tempestade magnética são mostradas abaixo (em verde). 2

Há vários índices magnéticos para a análise de diferentes características do campo geomagnético. O índice Dst ( Disturbed Storm Time ) caracteriza tempestades magnéticas e é calculado para quatro observatórios magnéticos localizados em relativamente baixas latitudes: Kakioka (Japão), Hermanus (África do Sul), Honolulu e San Juan (Estados Unidos). A ideia é que estes observatórios são bons representantes do aumento da corrente em anel na magnetosfera. Este índice é calculado retirando-se a influência do campo do núcleo (variação secular) e da variação diurna regular. Desta forma, o índice Dst representa somente o distúrbio causado pela tempestade, calculado a cada minuto. Uma representação esquemática do índice Dst durante a ocorrência de uma tempestade magnética é mostrada na Figura 3. Figura 3. Esquema do índice Dst durante uma tempestade magnética típica. Tempestades magnéticas e o ciclo solar Se observarmos médias mensais da componente horizontal (H) em observatórios magnéticos, nota-se que as tempestades solares são moduladas em fase com o ciclo solar. Os picos no desvio padrão durante, por exemplo, os anos de 1921, 1941 e 1989 correspondem a grandes tempestades magnéticas (Figura 4). A descoberta de que tempestades magnéticas ocorrem mais provavelmente durante períodos de máximo solar e menos durante períodos de mínimo solar, foi uma das mais importantes descobertas na história da física espacial (Figura 4). Esta descoberta foi feita em 1852 por uma astrônomo inglês Edward Sabine, que cuidadosamente analisou longas séries temporais de dados coletados por observatórios magnéticos, incluindo um localizado, na época, em Toronto. Figura 4. Atividade magnética controlada pelo Sol. Em (a) o desvio padrão das médias mensais no componente horizontal (H) medido em observatórios da Alemanha. Em (b) as medias do número de manchas solares. Campo magnético induzido A variação do campo magnético no tempo é sustentada por correntes na ionosfera e magnetosfera que induzem correntes elétricas na crosta, oceanos e manto. Correntes induzidas na crosta por tempestades magnéticas podem causar transtornos para a rede elétrica de indústrias, já que as correntes podem atingir transformadores pelas conexões existentes no solo. A profundidade na qual estas correntes induzidas penetram no solo depende da condutividade elétrica da sub-superfície e da frequência na qual ocorrem as variações do campo magnético terrestre. Por exemplo, variações magnéticas com períodos variando de segundos a dezenas de minutos, penetram na crosta cerca de 20-100 km. Há levantamentos magnéticos regionais para estudar a estrutura de condutividade elétrica de sub-superfície de diferentes regiões. Neste tipo de levantamento, os sensores medem tanto o campo magnético quanto as correntes elétricas 3

induzidas na crosta. Uma análise mais qualitativa sobre a indução magnética pode ser obtida por um dado de observatório magnético. A Figura 5 mostra magnetogramas de quatro observatórios que registraram uma grande tempestade magnética. Figura 5. Variações do campo magnético que revelam diferenças na condutividade elétrica da sub-superfície. Os magnetogramas registram o campo de 20 a 21 de novembro de 2003 em observatórios na Europa com as longitudes especificadas na figura. A variação da intensidade horizontal (H, em azul) é controlada pela tempestade magnética na magnetosfera. Diferenças laterais na componente vertical (Z, em vermelho) são devido a correntes elétricas induzidas na crosta e oceano. Cada um dos observatórios mostra uma variação similar na componente horizontal do campo (H). A maior parte deste sinal é a assinatura magnética de grande escala, determinada pelo sistema de correntes na ionosfera e magnetosfera sustentados durante uma tempestade magnética. Em contraste, um magnetograma mostrando a componente vertical (Z) varia significantemente para cada local, devido as diferentes estruturas de condutividade elétrica em sub-superfície. Note, por exemplo, que os traços de Z para dois observatórios na Espanha (Figura 5): San Pablo Toledo (SPT), no centro da Espanha, e Ebro (EBR), na costa são bem diferentes. A maior parte da variação em Z no magnetograma de Ebro vem das correntes elétricas induzidas no mar Mediterrâneo. Como a água salgada dos oceanos é uma boa condutora de corrente elétrica, comparada às rochas e sedimentos, os observatórios em regiões costeiras produzem heterogeneidades locais de condutividade. Como resultado há uma resposta eletromagnética complicada nos dados de observatórios. Mas variações em Z também podem refletir diferenças na geologia local. Dois exemplos são os observatórios mostrados da Itália e Romênia: notase que o registro da Romênia é mais complexo, refletindo uma formação rochosa com maior condutividade comparada às rochas da Itália (Figura 5). Exemplos de tempestades magnéticas e seus prejuízos para os seres humanos Quando erupções solares ocorrem, partículas energéticas podem penetrar na atmosfera terrestre e danificar sistemas tecnológicos espaciais, assim como prejudicar a saúde de astronautas e passageiros de aeronaves nas regiões polares. As erupções solares podem também ameaçar a segurança dos países quando distúrbios ionosféricos interrompem navegação e comunicação por satélite. O gerenciamento das frequências de comunicação se baseia no conhecimento da densidade de elétrons na ionosfera, que depende criticamente da atividade solar. As flutuações na densidade atmosférica, controladas pelo Sol, também podem alterar as órbitas das dezenas de 4

milhares de objetos em baixa órbita terrestre. Além de todos estes problemas, as tempestades magnéticas podem induzir correntes elétricas no subsolo e causar problemas em redes elétricas. A tempestade magnética que ocorreu nos dias 1 e 2 de setembro de 1859 é chamada de tempestade de Carrington em homenagem a Richard Carrington que foi um dos astrônomos que observou uma erupção solar que iniciou o evento. Uma forte tempestade magnética iniciou 17 horas depois da erupção e continuou aproximadamente por 36-48 horas. Em Mumbai, na Índia, foi registrada uma depressão de cerca de 1600 nt no campo observado, devido a esta tempestade. Esta é uma perturbação enorme para uma estação que está em baixas latitudes e até hoje é um tópico de discussão entre os especialistas da área. Durante esta tempestade, auroras foram observadas até mesmo em baixas latitudes geomagnéticas de 20 o. Esta erupção solar induziu fortes correntes elétricas em sistemas de telégrafo da época. Estas correntes induzidas queimaram os cabos de telégrafo dos Estados Unidos e causaram grandes incêndios. A tempestade magnética de Carrington é atualmente usada como o grande exemplo de condições extremas do clima espacial. A tecnologia daquela época ainda era restrita, comparada aos dias de hoje, onde temos satélites e uma ampla rede de energia elétrica. Uma questão muito discutida é o que aconteceria atualmente se uma tempestade desta magnitude atingisse a Terra? Um grupo de estudos espaciais dos Estados Unidos ( Space Studies Board ) estimou que o prejuízo para a rede elétrica dos Estados Unidos seria enorme, com um impacto econômico na escala de um ou dois trilhões de dólares. Não há uma razão científica para excluir a possibilidade de um grande evento como este ocorrer. Entretanto, não é possível prever se quando poderia ocorrer. Outros eventos intensos de tempestades magnéticas, mas menores do que a tempestade de 1859, ocorreram em 1956, 1986, 1989 e 2003. Nos eventos de 1956, 1986 e 1989 não foi possível medi-los com sensores em satélites, por isso há limitações nas informações, como por exemplo, sobre variações do vento solar. A era das medidas por satélites relacionadas a este tema, iniciou na década de 90. Por isso o evento de 2003 foi melhor documentado do que os demais. A tempestade magnética de 1956 apresentou um dos mais intensos valores de fluxos de radiação observados instrumentalmente em estações na superfície terrestre. Entretanto, este evento não foi associado com uma forte atividade magnética, ou seja, a tempestade magnética não foi tão intensa. Este tipo de tempestade poderia causar efeitos críticos em sistemas eletrônicos. A característica mais interessante da tempestade de 1986 foi sua ocorrência próxima a um mínimo solar. Esta tempestade mostrou que o ciclo solar influencia somente estatisticamente na frequência de eventos severos, indicando que os eventos acontecem raramente durante mínimos solares, mas que há esta possibilidade. A tempestade magnética de 1989, foi o evento mais intenso das últimas dezenas de anos. Esta grande tempestade induziu correntes no solo, causando um blackout (ou apagão) em Quebec, Canadá. Esta tempestade magnética também causou interrupção na órbita e operação de satélites. A tempestade magnética de 2003, também chamada tempestade magnética do Halloween foi o maior exemplo de consequências para aeronaves e satélites, já que nesta época estas tecnologias estavam plenamente desenvolvidas. Muitos problemas com operações espaciais foram 5

reportados, como por exemplo, perda de dados devido a interferência nos sensores de satélites. Também houve uma considerável interferência em comunicações de rádio de alta frequência, especialmente em regiões polares. Alguns voos nestas regiões tiveram que ser redirecionados, assim como usar suas comunicações de reserva. Problemas nas redes elétricas do norte da Europa e África do Sul foram reportados, principalmente quanto ao super-aquecimento de transformadores. A Figura 2 mostra a intensidade horizontal (H) nos magnetogramas da tempestade de 2003, que foi iniciada por uma ejeção de massa coronal associada com um grande grupo de manchas solares. A tempestade Halloween possui uma característica incomum, já que possui duas fases principais, cada uma seguida por um período de recuperação. A curiosidade científica e a utilidade para a sociedade clamam por uma melhor compreensão sobre o sistema Sol-Terra. Mesmo as pequenas mudanças na energia que flui do Sol pode ter uma ampla faixa de efeitos, desde mudanças climáticas até problemas na comunicação por satélites. Com um melhor conhecimento sobre o sistema Sol-Terra algumas questões serão respondidas, como por exemplo: será que uma erupção solar poderia ser mortal para astronautas ou causar problemas irreversíveis em instrumentos? Será que os problemas causados em navegação e comunicação por tempestades solares podem comprometer a segurança na Terra? Poderemos no futuro prever estes efeitos? A compreensão sobre os fenômenos envolvendo tempestades magnéticas é fundamental para reduções de riscos. As tempestades magnéticas interferem em levantamentos magnéticos crustais com objetivo de mapear e explorar minérios, assim como causam interferências em sistemas de orientação magnética usados para perfuração direcional (veja mais no módulo 4). A comunicação de longa distância por rádio pode ser dificultada durante uma tempestade magnética, assim como a precisão de sistemas de posicionamento global (como o GPS) pode ser reduzida. No espaço, a eletrônica de satélites pode ser danificada e a orbita de satélites modificada. Astronautas e pilotos em altas altitudes podem estar sujeitos a um aumento da radiação. Dados de observatórios magnéticos em tempo real podem ser usados como um monitoramento do clima espacial de baixo custo. Dados históricos de observatórios permitiram estudos estatísticos de como as tempestades estão distribuídas temporalmente e quão intensas elas podem ser. Devido ao risco potencial nas atividades e infra-estrutura de nossa sociedade moderna, baseada em novas tecnologias, o governo federal dos Estados Unidos apoiam o programa nacional de monitoramento do clima espacial. Programas similares existem no Japão e na Europa. Referências Bibliográficas Campbell, W. H., 1997. Introduction to Geomagnetic Fields. Cambridge University Press. 290 páginas. Lean, J., 2005. Living with a variable Sun. Physics Today. June, 2005. Love, J. J., 2008. Magnetic monitoring of Earth and space. Physics Today. Februrary, 2008. Merril, R. T., Mcelhinny, M. W.; McFadden, P. L. (1996). The Magnetic Field of the Earth- Paleomagnetism, the core and the deep mantle. Academic Press. Volume 63. 6

Lester, M., 2007. Magnetic storm and substorms. Em: Encyclopedia of Geomagnetism and Paleomagnetism, Editores: Gubbins, D. & Herrero- Bervera, E., Springer, p. 926-928. Lakhina, G. S., Tsurutani, B. T., Gonzalez, W. D. And Alex, S., 2007. Humboldt, Alexander Von and Magnetic Storms. Em: Encyclopedia of Geomagnetism and Paleomagnetism, Editores: Gubbins, D. & Herrero-Bervera, E., Springer, p. 404-406. Fontes das Figuras Figuras 1, 2, 4 e 5: Love, J. J., 2008. Magnetic monitoring of Earth and space. Figura 3: Lester, M., 2007. Magnetic storm and substorms. 7