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O que são os ventos solares?

A alta temperatura da coroa solar faz com que inúmeras partículas energéticas escapem do Sol com alta velocidade, causando as auroras e moldando as caudas de cometas. De onde vem o vento solar?

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A camada mais externa da atmosfera do Sol é bem incomum. Chamada de coroa solar, ela é enorme, se estendendo por milhões de quilômetros acima de sua superfície como uma aura brilhante de plasma que pode ser visível em eclipses solares totais ou em fotografias tiradas por observatórios especializados em observação do Sol. Mas o maior mistério da coroa solar não é seu tamanho, mas entender o porquê da coroa solar ser muito mais quente que sua superfície. Mais de mil vezes mais quente. Enquanto a superfície do Sol tem uma temperatura de 5.770 Kelvin, a coroa solar atinge facilmente 1 milhão de Kelvin.

Ilustração da coroa solar durante o eclipse solar total de 28 de maio de 1900.

O vento solar foi proposto pela primeira vez no final da década de 1950, por Eugene Parker, professor da Universidade de Chicago, ao tentar responder a pergunta “há partículas saindo do Sol?”. Inicialmente essa hipótese parecia extremamente improvável, afinal, a Terra tem atmosfera e ela não sai voando por aí, então muitos astrofísicos desconsideraram essa possibilidade atribuindo que o mesmo acontecia com o Sol.

Foto do cometa McNaught, entre janeiro e fevereiro de 2007. A cauda dos cometas está sempre na direção oposta ao Sol devido à ação dos ventos solares.

Mas existe um fenômeno curioso que muitos cientistas já se atentaram: a cauda dos cometas. Não importa a direção para onde os cometas viajam, a cauda deles sempre apontará para o lado oposto ao Sol. É como se o Sol estivesse soprando a cauda do cometa para longe. Eugene Parker então foi para a sua salinha e começou a fazer algumas contas. Ele levantou a hipótese de que se a coroa solar ultrapassa 1 milhão de graus, então devem haver partículas que se expandem para além da sua atmosfera e, eventualmente, ganhando altíssimas velocidades. Posteriormente, Parker daria à esse fenômeno o nome de “vento solar”.

Parker escreveu seu artigo (entitulado “Dinâmica do Gás Interplanetário e Campos Magnéticos”) e o enviou para publicação na Astrophysics Journal, uma conceituada revista científica especializada em astrofísica. Durante a revisão, as respostas recebidas foram rápidas e contundentes. “Você deve entender como isso soou inacreditável quando ele o propôs. Que esse vento não apenas existe, mas está viajando em velocidade supersônica!”, disse um colega dele, professor de astronomia e astrofísica da mesma universidade.

Eugene Parker, astrofísico americano que desenvolveu a teoria do vento solar.

Com muita sorte, o editor da revista na época era Subrahmanyan Chandrasekhar, colega de Eugene Parker na universidade. Como Chandrasekhar não encontrou nada de errado com os cálculos de Parker, então ele simplesmente ignorou as críticas dos revisores e publicou o artigo. Apenas três anos depois, a NASA lançou a sonda Mariner II para Vênus, a primeira sonda espacial da história a chegar em outro planeta. Durante seu trajeto até o planeta vizinho, em 1962, a sonda coletou dados sobre o meio interplanetário e os resultados foram impressionantes: o vento solar realmente era real.

Como surgem os ventos solares?

A coroa solar é tão quente que a gravidade do Sol não é mais suficiente para manter sua coesão. Essas partículas adquirem uma grande quantidade de energia cinética e simplesmente escapam para o espaço, viajando através do Sistema Solar em todas as direções. É o vento solar. Conforme o Sol gira, ele cria redemoinhos complexos de partículas e estas, principalmente prótons e elétrons, são aceleradas até cerca de um milhão de quilômetros por hora ao passar pela Terra.

Essas partículas de plasma eletricamente carregadas tem fortes interações com campos eletromagnéticos. O campo magnético que a Terra produz aprisiona e reflete o vento solar, como se fosse um escudo. No entanto, em períodos de alta atividade, o Sol pode ejetar matéria, enviando milhões de vezes mais partículas para o espaço. É chamada de ejeção de massa coronal, e se alguma dessas atingir a Terra o caos poderá ser será instaurado. O campo magnético terrestre não é suficiente para nos proteger de tempestades solares extremamente fortes, podendo derrubar nossas telecomunicações, satélites GPS, e ameaçar a saúde de astronautas no espaço.

Foto-composição das estruturas do vento solar observadas no eclipse solar total de 21 de agosto de 2017.

Apesar de ser potencialmente perigosa ao nosso planeta, os ventos solares também cumprem o papel de proteger nosso Sistema Solar dos raios cósmicos altamente energéticos que viajam pelo meio interestelar, mantendo-os do lado de fora. Essa espécie de redoma que o Sol cria ao redor do nosso sistema se chama heliosfera.

O pleno entendimento dos ventos solares abrirá uma nova fronteira para a humanidade: as viagens tripuladas. Viajar para Marte não é tão simples não apenas devido ao suporte de vida, como ar e água, mas também porque os astronautas estarão longos períodos fora da proteção do campo magnético da Terra. Partículas altamente energéticas podem até mesmo causar micro-furos na fuselagem de espaçonaves, sem mencionar os efeitos no nosso próprio corpo. Por isso o desenvolvimento de tecnologias capazes de prever tempestades solares é tão importante, mas o maior impedimento para a “previsão do tempo” espacial é que nós ainda não sabemos como a coroa solar realmente funciona e porque ela é tão mais quente.

De onde vem as auroras?

Popularmente, as auroras são conhecidas como auroras boreais, mas a história não é bem assim. As auroras boreais são os fenômenos que ocorrem no hemisfério norte, mas as auroras podem ocorrer em qualquer um dos polos, seja no polo norte ou polo sul. As auroras que acontecem no hemisfério sul são chamadas de auroras austrais. A aurora austral não é tão famosa como a sua irmã gêmea do hemisfério norte porque o hemisfério sul abaixo do círculo polar antártico é muito esparsamente povoado. Na verdade, sua população é praticamente zero. Enquanto o círculo polar ártico corta países como a Noruega, Rússia, Canadá e Finlândia, o círculo polar antártico corta apenas o continente da Antártica. Nem mesmo o Parque Nacional Cabo de Hornos, na Terra do Fogo, o ponto mais meridional da América do Sul, chega perto do círculo polar antártico.

Magnetosfera terrestre e linhas de campo magnético (em roxo) deformadas pela interação com os ventos solares (setas vermelhas).

Essas belíssimas “luzes do norte” (do latim, aurora borealis) são resultados diretos da interação dos ventos solares na magnetosfera da Terra. Da mesma forma que a atmosfera é o ar que circunda um corpo celeste, a magnetosfera é todo o campo magnético que circunda um corpo celeste. O campo magnético terrestre é gerado de forma similar ao solar: o movimento do ferro e níquel derretido no interior da Terra produz correntes elétricas, essa corrente elétrica produz um campo magnético por indução.

Logo antes, vimos que os ventos solares são, basicamente, partículas eletricamente carregadas, como prótons e elétrons. Essas partículas interagem fortemente com campos magnéticos, criando uma espécie de escudo. Esse escudo impede que essas partículas mortais vindas do Sol atinjam a superfície da Terra, mantendo nossa atmosfera intacta e possibilitando o surgimento de vida no planeta. Inclusive, supõe-se que Marte seja inóspito pois, com o passar das eras, perdeu seu campo magnético, tendo sua atmosfera e sua água varrida para o espaço devido aos ventos solares. Se não fosse pelo campo magnético, certamente nosso planeta teria um destino bem parecido.

A Terra possui um cinturão de radiação, chamado de cinturão de Van Allen. Esse cinturão é formado, basicamente, por partículas do vento solar que são aprisionadas pelo nosso campo magnético. Essas partículas energéticas vindas do Sol ficam presas nesse loop das linhas de campo e são impedidas de atingirem a superfície do planeta. No entanto, parte das partículas recebidas pelos ventos solares podem se deslocar por essas linhas de campo até os polos magnéticos, onde essas linhas são abertas, da mesma forma como as linhas de campo próximas de um imã formam um loop, saindo do polo sul e se encontrando no polo norte, mas são abertas nos extremos.

Partículas carregadas do vento solar são defletidas ou ficam presas no cinturão de Van Allen (área verde). Mas algumas dessas partículas são conduzidas para dentro da nossa atmosfera através dos polos magnéticos (seta preta). Essas partículas ionizam nossa atmosfera, emitindo luz: as auroras.

Essas partículas eletricamente carregadas provenientes do vento solar, conduzidas aos polos através das linhas de campo da magnetosfera, então, se chocam com os átomos da atmosfera. Esses átomos ganham energia, fazendo seus elétrons se deslocarem para orbitais mais energéticos, ionizando-os. Quando os elétrons retornam para energias mais baixas, essa energia é liberada na forma de fótons, que vemos como luz visível. As auroras.

Espectro de emissão dos átomos que compõem nossa atmosfera causam o brilho nas cores vermelho, verde e azul.

A cor das auroras, assim como a cor de qualquer gás ionizado, depende da sua composição e densidade. O ar que respiramos não é totalmente homogêneo, sua composição varia de acordo com a altitude devido à diferença na densidade das moléculas do ar. Nas camadas mais altas da nossa atmosfera, acima de 240 km da superfície, o oxigênio ionizado brilha na cor vermelha e, por isso, as auroras mais elevadas são vermelhas. No entanto, grande parte das vezes as partículas solares colidem com mais intensidade de energia entre 100 e 240 km. Nessa altitude, a composição e a maior densidade do ar favorece o brilho verde. Existem auroras azuis, elas acontecem quando o vento solar consegue atingir as camadas mais inferiores da atmosfera, abaixo de 100 km. A densidade ainda maior e o ar mais rico em nitrogênio favorece o brilho azul. Essas auroras são bem raras e acontecem nos períodos de fortes tempestades solares.

As auroras são mais frequentes durante o período de máximo solar, quando o vento solar é mais intenso e mais partículas perturbam a magnetosfera terrestre e podem ser carregadas pelas linhas de campo magnético até os polos, ionizando nossa atmosfera e fazendo-a brilhar.

Referências

  • CRANMER, S. R. Solar-Wind Origin. Oxford Research Encyclopedia of Physics. Disponível em: <https://oxfordre.com/physics/view/10.1093/acrefore/9780190871994.001.0001/acrefore-9780190871994-e-18>. Acesso em: 27 de set. de 2021.
  • MCNAUGHT, R. H. The Magnificent Tail of Comet McNaught. Astronomy Picture of the Day. Disponível em: <https://apod.nasa.gov/apod/ap070122.html>. Acesso em: 28 de set. de 2021.

Brunno Pleffken Hosti

Professor. Graduando em Licenciatura em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR). Extensão em Astrofísica pela UFSC. Editor do Espaço-Tempo.

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