Nova rede pesquisa o clima espacial sobre a América do Sul

Peter Moon | Agência FAPESP – A interação entre partículas solares e o campo magnético terrestre, bem como possíveis efeitos nocivos do clima espacial em aparelhos eletrônicos, são objeto de estudo de um grupo de pesquisadores no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), em São José dos Campos (SP). Em colaboração com colegas de outras instituições latino-americanas, o grupo do Inpe trabalha na instalação da Rede Embrace de Magnetômetros (Embrace MagNet) na América do Sul, que, espera-se, chegará a mais de 20 equipamentos espalhados por toda a América Latina, incluindo o México, por volta de 2022.

O objetivo central da rede formada por magnetômetros – instrumentos utilizados em medidas de intensidade de um campo magnético – é estudar particularidades e especificidades das perturbações no campo magnético sobre a América do Sul, para determinar a sua intensidade em relação ao que ocorre no resto do mundo.

“O projeto visa estudar a variação diária da dinâmica da alta atmosfera [mesosfera e termosfera] e da eletrodinâmica da ionosfera em baixas latitudes e região equatorial. Nosso interesse é ver a variação do campo magnético terrestre quando acontecem as explosões solares e as nuvens magnéticas atingem a Terra”, disse Clezio Marcos De Nardin, coordenador-geral de Ciências Espaciais e Atmosféricas do Inpe.

De Nardin e colegas publicaram recentemente na revista Radio Science, da American Geophysical Union, dois artigos sobre a Embrace MagNet. No primeiro artigo, descrevem a proposta e os objetivos científicos da rede, bem como detalham o projeto, seus equipamentos, instalação e como é feito o tratamento dos dados coletados. No segundo artigo, os autores revelam os primeiros resultados científicos da iniciativa.

O projeto de instalação e manutenção da Embrace MagNet é uma iniciativa internacional sediada no Inpe e que conta com apoio da FAPESP, por meio de um Projeto Temático, do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), Financiadora de Estudos e Projetos (Finep) e da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Goiás (Fapeg). Na Argentina, o projeto tem apoio do Fondo para la Investigación Científica y Tecnológica (FonCyT), do Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (Conicet) e do Programas y Proyectos de Investigación da Universidade de Tucumán.

Antes da criação da Embrace MagNet, os pesquisadores sul-americanos dependiam de dados fornecidos primordialmente por instituições dos Estados Unidos, Europa e Japão para estudar as perturbações no campo magnético sobre a América do Sul.

“Os magnetômetros daquelas instituições estão na América do Norte, Austrália, Europa e África. Baseado em seus dados, quando ouvíamos que o campo magnético estava perturbado, não sabíamos o quanto esta perturbação tinha efeito sobre o Brasil”, disse De Nardin.

“Uma medida de campo magnético feita no Canadá, por exemplo, não é equivalente a uma medida feita no Brasil. Perturbações magnéticas não são equivalentes nos hemisférios Norte e Sul. Há várias publicações na literatura especializada que mostram que as auroras boreais e austrais também não são simétricas”, disse.

Auroras boreais e austrais

Quando a nuvem magnética de uma tempestade solar interage com o campo magnético terrestre, a faceta mais visível desta relação é percebida pelos cidadãos pela formação de auroras boreais e austrais na estratosfera sobre as regiões polares. Se as auroras são a face visível do fenômeno, as interações entre as partículas energizadas provenientes do sol e o campo magnético terrestre causam perturbações ao redor do globo.

“Nas regiões aurorais, a interação da nuvem magnética com o campo magnético gera um sistema de correntes a 100 quilômetros de altitude que pode danificar equipamentos no solo”, disse outro autor dos artigos e participante da Embrace MagNet, Paulo Roberto Fagundes, professor na Universidade do Vale do Paraíba (Univap).

Fenômenos importantes no campo magnético são provocados por erupções solares, que liberam ao espaço radiação eletromagnética (luz) e quantidades prodigiosas de partículas altamente energizadas. É a chamada explosão solar. Partículas viajando a velocidades superiores a 2 milhões de quilômetros por hora são lançadas do Sol e chegam à Terra em poucos dias, bombardeando o campo magnético que envolve e protege o planeta.

Os fenômenos solares que chegam à Terra são capazes de causar interferências em sistemas de posicionamento por satélites, como o GPS. Automóveis, aviões e navios usam sistema de navegação por satélite. Dependendo de sua intensidade, uma tempestade pode afetar os satélites de GPS, degradando severamente a sua operação.

O bombardeio do campo magnético terrestre pelo resultado das erupções solares pode danificar também sistemas de sensoriamento remoto por radar, além de induzir correntes elétricas em transformadores de linhas de transmissão de energia ou afetar a proteção de dutos para transporte de petróleo e gás, causando enorme prejuízo econômico.

No caso das usinas geradoras de energia, as consequências podem ser mais graves. Quando a nuvem magnética solar atinge o campo magnético terrestre gerando auroras, correntes elétricas surgem no solo. Nas proximidades de uma hidrelétrica elas podem, por exemplo, queimar seus transformadores e desligar as linhas de transmissão de energia, ocasionando apagões.

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Um caso importante como descrito acima ocorreu em 9 de março de 1989, resultado de uma grande explosão solar. Três dias e meio mais tarde, em 13 de março, uma torrente de partículas energizadas e elétrons na ionosfera induziu poderosas correntes elétricas no solo em diversos pontos da América do Norte. Na província canadense de Quebec, a corrente queimou os transformadores do sistema de transmissão elétrica, provocando nove horas de apagão. Alguns satélites, inclusive meteorológicos, perderam contato por várias horas. O ônibus espacial Discovery se encontrava no espaço e apresentou problemas em seus sensores eletrônicos.

“Estudo recentes publicados na revista Risk Analysis estimam que o impacto nos dias de hoje de um evento geomagnético como o ocorrido em 1989 causaria prejuízos globais entre U$ 2,4 trilhões e U$ 3,4 trilhões”, disse De Nardin.

Sabe-se que usinas hidrelétricas construídas ao lado de grandes reservatórios são alvos em potencial das correntes no solo causadas por tempestades solares, isto porque a água dos reservatórios, além de potencializar a transmissão da corrente ao passar pelas turbinas da usina, transmite a corrente diretamente à casa de força, onde ficam os transformadores.

Uma corrente muito mais forte, como a que atingiu Quebec em 1989, pode queimar os transformadores de uma usina. Mas não é preciso ocorrer um evento daquelas proporções para danificar os equipamentos. Qualquer tempestade solar causa correntes no solo que afetam os transformadores das usinas. Por isso, tais equipamentos têm especificações de manutenção periódica para evitar sua completa degradação.

Atividade magnética solar

A frequência maior ou menor de explosões solares está diretamente ligada ao ciclo solar (ou ciclo de atividade magnética solar), que mostra a atividade do Sol em intervalos de 11 anos.

“Durante os períodos de máxima atividade solar, a degradação dos transformadores é maior. Pesquisas publicadas pelo IEEE [Institute of Electrical and Electronics Engineers] , com base em estudos realizados na África do Sul, indicam que, caso não seja feita manutenção, o transformador pode chegar a explodir”, disse De Nardin, que também é vice-diretor do International Space Environment Service (ISES), um organismo internacional dedicado a coordenar os esforços mundiais de previsão do clima espacial.

O estudo do clima espacial serve, entre outros motivos, para poder estimar o nível de estresse a que estão sujeitos os equipamentos das geradoras de energia, das empresas de extração de petróleo e gás e das constelações de satélites.

A análise de toda a montanha de dados coletada diariamente pela Embrace MagNet serve de subsídio para o desenvolvimento, pelos pesquisadores brasileiros, de um indicador específico chamado índice Ksa.

“Nossa ideia é chegar a um índice sul-americano (o sa do índice Ksa). Já sabemos que o que ocorre no resto do mundo não é o mesmo que acontece aqui”, disse De Nardin.

Quando estiver completa, a rede será formada por 23 magnetômetros instalados em 16 estados brasileiros, e também na Argentina, Chile, México e Uruguai. Já foram instalados e se encontram em operação 13 magnetômetros – o mais recente deles foi instalado em Medianeira (PR), no campus da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).

Nova camada na ionosfera

Além do estudo do campo magnético feito com a Embrace MagNet, o projeto do qual a rede faz parte também já produziu uma outra importante descoberta científica. “Detectamos a existência de uma quarta camada na ionosfera, a camada F”, disse Fagundes, que coordena o Projeto Temático “Estudo da variabilidade dia a dia da mesosfera, termosfera e ionosfera em baixas latitudes e região equatorial, durante o ciclo solar 24”.

Ionosfera é uma das camadas da atmosfera terrestre, caracterizada por conter cargas de íons e elétrons, que se estende entre 60 e 500 quilômetros de altitude.

“Conhecíamos as camadas F1, F2 e F3. Agora, descobrimos a F4. É a mais externa. Fica acima dos 350 quilômetros de altitude. Estamos pesquisando o que gera essa estrutura”, disse Fagundes.

O artigo The Embrace Magnetometer Network for South America: Network description and its qualification (doi: https://doi.org/10.1002/2017RS006477), de Denardini, C.M., Chen, S.S., Resende, L.C.A., Moro, J., Bilibio, A.V., Fagundes, P.R., M. A. Gende, M. A. Cabrera, M. J. A. Bolzan, A. L. Padilha, N. J. Schuch, J. L. Hormaechea, L. R. Alves, P. F. Barbosa Neto, P. A. B. Nogueira, G. A. S. Picanço e T. O. Bertollotto, está publicado em https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2017RS006477.

O artigo The embrace magnetometer network for South America: First scientific results (doi: https://doi.org/10.1002/2018RS006540) está publicado em https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/2018RS006540.