Fantático Mundo das Auroras

O magnetismo foi descoberto na Grécia antiga, numa cidade de nome Magnésia, em meados do século XIII. Os gregos tinham o costume de observar os fenômenos da natureza, ou seja, as coisas que nela aconteciam. Nessas observações perceberam que uma pedra tinha o poder de atrair o ferro. Essa pedra recebeu o nome de magnetita, em virtude do nome da cidade em que foi descoberta. As duas extremidades do ímã são chamadas de pólos, que servem para atrair ou repelir os objetos metálicos. Receberam esse nome em razão dos pólos terrestres, pois a Terra também possui magnetismo devido ao movimento do seu núcleo.

Se deixarmos um ímã se mover livremente na Terra, este irá se voltar para os lados Norte (N) e Sul (S). Por isso a orientação que a bússola nos dá é sempre indicando a direção Norte (N), porque sua agulha gira em torno de um eixo e é atraída pelo magnetismo terrestre, voltando-se sempre para a mesma direção.

Segundo o professor Sérgio Resende da UFPE, provavelmente, a bússola era utilizada pelos chineses em seus deslocamentos por terra, nas rotas comerciais e migrações. “Antes, o único sistema de orientação era o sol”, conta Rezende. Há também relatos gregos sobre o magnetismo, 800 anos antes de Cristo. 

As pesquisas sistemáticas na área apenas começaram no início do século passado, quando o dinamarquês H. Oersted percebeu que havia uma relação forte entre o fenômeno magnético e o elétrico. “Ou seja, uma corrente elétrica cria um campo magnético, completa.

O campo magnético, por sua vez, atua sobre uma corrente elétrica. Estava criado o electromagnetismo, que até hoje faz mover quase tudo, sejam os motores de indústrias ou as telecomunicações. “O electromagnetismo impulsionou a revolução industrial e as telecomunicações”, resume o professor.

Willian Gilbert

Em relação ao Magnetismo terrestre, sabe-se que sua  descoberta se deu em 1600, com trabalhos do físico e médico inglês William Gilbert. Ele descobriu  que a Terra possui um campo magnético, comportando-se como um grande imã. A origem desse campo magnético e as suas conseqüências para a Terra ainda são objeto de estudo, mas sua importância é incontestável. 

É graças a ele que nos mantemos na superfície da Terra em vez de sermos projetados para o espaço e foi ele que permitiu as grandes navegações, pelo uso da bússola (os modernos navios usam GPS).  

É ele também que nos protege das partículas carregadas  electromagnetismo provenientes do sol (vento solar), a 700 km/s, e de outros pontos da galáxia (além de afetar seriamente as transmissões de rádio e televisão, há evidências de que as tormentas magnéticas aumentam as ocorrências de ataques cardíacos).

No núcleo externo da Terra, acredita-se haver ferro e níquel em estado de fusão, a cerca de 3 mil km de profundidade. Esse fluido está em constante movimento, o que gera correntes elétricas e, por consequência, um campo magnético.  Essa explicação, chamada de Teoria do Dínamo, é atualmente a mais plausível para compreender-se como é gerado o campo magnético do planeta. As altíssimas temperaturas do núcleo da Terra, muito acima do chamado Ponto Curie, não permitem que o ferro e o níquel estejam no estado sólido, de modo que eles não podem estar funcionando como um ímã. Esse é o campo magnético interno, que é o principal. Mas há também o campo magnético externo – gerado pelo vento solar e pela ionosfera (porção da atmosfera entre 50 e 1.000 km de altitude) – e o campo crustal – gerado pelas rochas magnéticas que existem na camada mais superficial da Terra, principalmente o basalto. Todas essas fontes externas de magnetismo, porém, respondem por apenas 10% do magnetismo do nosso planeta. Quando as partículas eletricamente carregadas, que são expelidas pelo Sol durante uma erupção solar, chegam à Terra, a maior parte é desviada, mas quando parte consegue penetrar através da magnetosfera, chocam-se com os átomos de oxigênio e nitrogênio da atmosfera produzindo uma radiação no comprimento da onda da luz  visível. Essa radiação é atraída pelo campo magnético do planeta para as regiões mais frágeis que são os pólos.  

Então, luzes coloridas surgem no céu causando um belo espetáculo chamado Aurora. As auroras são fenômenos que fascinam o ser humano desde a pré-história. Entretanto, foi somente em 1770 que o Capitão James Cook, um navegador inglês, reportou que a aurora boreal, ou seja, aquela gerada no Hemisfério Norte (figura boreal, tem a sua contraparte no Hemisfério Sul, chamada de aurora austral (Figura 1B).

Aurora  Austral

Aurora Boreal

Mais tarde foi observado que as auroras não estavam localizadas exatamente nos polos geográficos, ocorrendo mais freqüentemente próximas a latitudes de 70º. Esta observação permitiu que em 1860 Elias Loomis, um matemático americano, mapeasse a frequência de ocorrência das auroras e a sua forma oval irregular envolvendo o pólo norte, com o centro deslocado na direção da costa norte da 
Groelândia, alcançando a Escandinávia, o Canadá e a Sibéria.
Durante diversas horas as auroras podem ser vistas em vários países localizados em alta latitude como Suécia, Finlândia, Noruega, Escócia e nas regiões norte dos Estados Unidos e Canadá. Quanto maior a atividade solar, mais intensa são as auroras. Quando aparece próximas ao pólo norte são chamadas de Auroras Boreais e quando aparecem próximas ao pólo sul são chamadas de Auroras Austrais.

Em geral essas luzes são observadas em uma altitude aproximada de 60 km. As auroras podem apresentar forma variada como arcos, estruturas em bandas, raios, lâminas etc. Ao serem excitados pelos elétrons de alta velocidade do vento solar o espectro de radiação eletromagnética  varia de infravermelho ao ultravioleta. O espectro visível é dominado pela luz branca e verde produzidas pelas moléculas de oxigênio excitadas e luz cor de rosa emitida pelo nitrogênio. Mas as cores também podem ser amarela, vermelha, roxa e, com menos ocorrência, azul. As tempestades geomagnéticas produzem auroras multicoloridas e quando atingem uma intensidade muito alta as luzes passam a ser avermelhadas decorrentes da excitação dos átomos de nitrogênio. Durante o Ano Internacional Geofísico (1957-58), cientistas de várias partes do mundo juntaram seus esforços para registrar as auroras de vários locais, ao mesmo tempo. Mais de 00 câmeras foram ajustadas para visualizar as auroras. Da análise destes dados, nasceram dois importantes conceitos da física das auroras: “aurora oval” e “aurora de sub-tempestade”. Nesta época, um estudante japonês de graduação, Shun-ichi Akasofu, observou dados de câmeras simultâneas do tipo “all-sky” (ou “céu inteiro”, usando lentes “olho-de-peixe”) de diferentes locais no globo e notou que as auroras ocorrem ao mesmo tempo gerando uma forma ovalada em torno dos dois polos magnéticos.

Ficou claro que as auroras não se moviam, como pensavam anteriormente, o seu movimento sendo na verdade devido a própria rotação da Terra. Simultaneamente, outro cientista russo, Yasha Feldstein, publicou um artigo em que ele chegava às mesmas conclusões.  A partir de 1964, as diferentes fases da evolução de uma aurora foram caracterizadas: a fase inicial, calma, antes da aurora se tornar ativa, é chamada de “fase de crescimento”. Quando a aurora muda da forma de um arco que se desloca lentamente para muitas diferentes formas, chamamos de “início da sub-tempestade”. Já a fase na qual a aurora move-se rapidamente e preenche o céu, ocorre na “fase de breakup”. Finalmente, quando a aurora ‘pulsa’ é chamada de “fase de recuperação”. 

Nesta época os cientistas chegaram à conclusão que as auroras são geradas por consequência do campo magnético da Terra e que a forma oval é aproximadamente centrada nos polos geomagnéticos e não nos polos geográficos. Então, a forma mais comum de se descrever e caracterizar as auroras é pelo sistema de coordenadas geomagnéticas: as auroras estão localizadas em latitudes magnéticas de cerca de 75° no lado do dia e em cerca de 70°  no lado da noite da Terra. A forma oval das auroras tem um raio típico de 1500-2000 km, comparável a distância entre as cidades do Rio de Janeiro e Salvador (aproximadamente 1650 km). A sua extensão latitudinal varia entre 200 e 1000 km (Figura 2). As auroras tendem a ser mais luminosas em mais altas latitudes e próximo à meia-noite na hora local. Com a era espacial, muitas imagens das auroras puderam ser obtidas e mais estudos foram desenvolvidos sobre este fenômeno. Atualmente as auroras são usadas para melhor compreender fenômenos que ocorrem na magnetosfera. A maior parte das câmeras em satélites fazem fotos da Terra e da aurora em um tipo de luz que nossos olhos não conseguem ver: a luz ultravioleta (Figura 3). 

Fig. 3 - O diagrama mostra todo o espectro de ondas eletromagnéticas
A escala na base da figura indica objetos representativos
que equivalem a escala do cumprimento da onda.

Quando a câmera observa a Terra na luz ultravioleta, não consegue enxergar os continentes e nem os oceanos. Ao invés disso, a câmera 

enxerga gases brilhando pela incidência da luz do Sol na atmosfera superior. Tal instrumentos conseguem ver as luzes ovais do Sul e Norte (auroras), como mostrado na Figura 4. 

Mas você sabe como as auroras são geradas? 

O Sol expele constantemente partículas em todas as direções no espaço. As partículas que rumam ara o nosso planeta interagem com o campo magnético terrestre, sendo tiradas de sua trajetória original pelo efeito da Força de Lorentz (força exercida pelo campo eletromagnético sobre uma partícula carregada em movimento).  O campo serve como um escudo, defletindo essas partículas carregadas provenientes do Sol. 

A maioria dessas partículas é refletida de volta ao espaço, porém, algumas delas ficam “presas” em nosso campo magnético, gerando as auroras (Figura 5). Ao ficarem presas, elas tem uma tendência a seguir uma trajetória espiralada ao longo das linhas de campo, em direção aos polos magnéticos. As auroras são causadas pela precipitação das partículas carregadas, elétrons e prótons, que seguem as linhas do campo magnético da magnetosfera até a atmosfera. Há uma interação entre essas partículas energizadas provenientes do Sol com os átomos neutros presentes em nossa atmosfera. Tais partículas energizadas podem excitar as partículas neutras através de colisões nas quais energia é absorvida pelos átomos neutros. 

Esses átomos energizados não conseguem se manter estáveis nesses estados mais excitados por muito tempo. Átomos e moléculas energizadas emitem fótons (luz) quando relaxam de volta nos seus estados energéticos iniciais, formando as luzes das auroras. Aproximadamente 1% desta ENERGIA CINÉTICA das colisões é convertida em luz visível. A energia cinética inicial das partículas que precipitam, determina a altitude na qual a maior parte das colisões ocorrerá: partículas com maiores energia cinética penetram mais profundamente na atmosfera. A emissão dos fótons que formam as auroras ocorre mais frequentemente em altitudes de 100-150 km (região ionosférica E), mas pode ocorrer também em maiores altitudes de 250 km 

(região F da ionosfera). 

ENERGIA CINÉTICA: Cinético significa movimento, logo, a energia cinética é a energia proveniente do movimento, proporcional à sua massa e o quadrado da sua velocidade. Um objeto que possui massa e está em movimento, possui energia cinética. A luz de uma aurora depende do tipo de gás presente na atmosfera. Um átomo de oxigênio pode emitir radiação em duas frequências principais do espectro de luz visível, verde e vermelho. Já os átomos de nitrogênio emitem luz vermelha (Figura 6). Monitorando a atividade do ciclo solar 24 e medindo a velocidade das partículas do vento solar, é possível prever a intensidade e localização de uma aurora. Esta é uma ferramenta muito útil para interessados em auroras e turistas que estão na região. Um exemplo da previsão das auroras pode ser visto na homepage do Instituto Geofísico da Universidade do Alaska em: http://www.gi.alaska.edu/AuroraForecast

Ainda existem muitas histórias e mitos sobre as auroras, principalmente no Alaska, Canadá e Groelândia. As primeiras lendas sobre dragões, na China e na Europa, se devem às auroras. Em algumas culturas, as auroras significam um nascimento sagrado. Em outras, as auroras sugerem aparecimento de fantasmas ou presságios de futuras guerras. Os esquimós, que viviam na região norte do Canadá, acreditavam que as auroras eram criadas por espíritos vestidos de luzes místicas, que se divertiam enquanto o Sol não estava presente. Os índios, de Dakota do Norte, nos Estados Unidos e Canadá, acreditavam que as luzes eram provenientes das fogueiras feitas por seus inimigos que se localizavam mais ao norte.  As auroras já foram inspiração de muitos pintores, poetas, escritores e compositores. O autor norueguês, Theodor Caspari, em 1882 terminou um poema com a seguinte passagem: “you are to me, aurora, a symbol of life.” (Você é pra mim uma aurora, um símbolo de vida). Em 2001, a diretora de arte Maida Withers dirigiu um espetáculo de dança moderna inspirada nas auroras. 

Veja mais em: http://www.maidadance.com/aurora_2001

Certamente estas incríveis luzes do norte e luzes do sul continuarão influenciando muitos artistas e despertando a curiosidade e interesse das pessoas para um fenômeno magnético tão espetacular. Certamente estas incríveis luzes do norte e luzes do sul continuarão influenciando muitos artistas e despertando a curiosidade e interesse das pessoas para um fenômeno magnético tão espetacular. 

Fonte: Prª Kátia Pinheiro - Observatório Nacional - Brasil

Christianne Thomes Viana©

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Citações Bibliográficas 

- Combs, L. e Viereck, L. (1996). Aurora. Space Environment Center 325 Broadway, Boulder CO 80303 – 3326.  

- Milan, S. Auroral Oval. Encyclopedia of Geomagnetism and Paleomagnetism, Editores: 

Gubbins, D. & Herrero-Bervera, E., Springer, p. 33 – 34.  

- Brekke, P. The Aurora Borealis. The Northern Lights – What where those strange quivering lights in the northern sky that both fascinated and frightened people on Earth for millennia? A Norwegian scientist led the way toward finally answering that question.

Fontes das Figuras 

Figuras 1: Artigo: The Aurora Borealis. Brekke, P. 

Figura 2: Homepage da Nasa 

http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?i

d=6226 

Figuras 3 e 4: Homepage da Nasa 

http://www.nasa.gov/mission_pages/themis/auror

as/index.html 

Figuras 5 e 6: Artigo: Aurora. Combs e Viereck.