Cluster mede a turbulência no ambiente magnético da Terra
Pela primeira vez, os cientistas estimaram a quantidade de energia transferida de grandes para pequenas escalas dentro do invólucro magnético, a região do limite entre o vento solar e a bolha magnética que protege o nosso planeta. Com base em dados coletados pelas missões Cluster da ESA e THEMIS da NASA, ao longo de vários anos, o estudo revelou que a turbulência é a chave, tornando este processo cem vezes mais eficiente do que no vento solar.
Os planetas no Sistema Solar, incluindo a nossa Terra, são banhados pelo vento solar, um fluxo supersónico de partículas carregadas e altamente energéticas, implacavelmente libertadas pelo Sol. O nosso planeta e alguns outros destacam-se neste fluxo de partículas totalmente omnipresente: estes são os planetas que têm um campo magnético próprio, e representam um obstáculo para o pleno poder do vento solar.
É a interação entre o campo magnético da Terra e o vento solar que cria a intrincada estrutura da magnetosfera, uma bolha protetora que protege o nosso planeta da grande maioria das partículas do vento solar.
Até agora, os cientistas alcançaram uma boa compreensão dos processos físicos que ocorrem no plasma do vento solar e na magnetosfera. No entanto, ainda faltam muitos aspetos importantes em relação à interação entre estes dois ambientes e sobre a região altamente turbulenta que os separa, conhecido como invólucro magnético, onde se suspeita que a maioria das ações interessantes acontecem.
“Para saber como a energia é transferida do vento solar para a magnetosfera, precisamos entender o que se passa no invólucro magnético, a “área cinzenta” entre eles,” diz Lina Zafer Hadid, do Instituto Sueco de Física Espacial em Uppsala, Suécia.
Lina é a principal autora de um novo estudo que quantifica, pela primeira vez, o papel da turbulência no invólucro magnético. Os resultados foram publicados ontem na Physical Review Letters.
“No vento solar, sabemos que a turbulência contribui para a dissipação de energia de grandes escalas de centenas de milhares de quilómetros a escalas menores de um quilómetro, onde as partículas de plasma são aquecidas e aceleradas para energias mais elevadas,” explica o coautor Fouad Sahraoui, do Laboratório de Física de Plasma, na França.
“Suspeitámos que um mecanismo semelhante também estaria em jogo no invólucro magnético, mas nunca conseguimos testá-lo até agora,” acrescenta.
O plasma no invólucro magnético é mais turbulento, lar de uma maior extensão de flutuações de densidade e pode ser comprimido num grau muito maior do que o vento solar. Como tal, é substancialmente mais complexo, e os cientistas, nos últimos anos, desenvolveram um quadro teórico para estudar os processos físicos que ocorrem num ambiente deste tipo.
Lina, Fouad e seus colaboradores vasculharam um vasto volume de dados, coletados entre 2007 e 2011 pelas quatro sondas espaciais Cluster da ESA e duas das cinco naves espaciais da NASA, que voam em formação através do ambiente magnético da Terra.
Quando aplicaram as ferramentas teóricas, recentemente desenvolvidas para a amostra de dados, apanharam uma grande surpresa.
“Descobrimos que a densidade e as flutuações magnéticas, causadas pela turbulência dentro do invólucro magnético, amplificam a taxa em que a energia cai de grandes e pequenas escalas em pelo menos cem vezes em relação ao que é observado no vento solar,” explica Lina.
O novo estudo indica que cerca de 10-13 J de energia são transferidos, por metro cúbico, a cada segundo, nesta região do ambiente magnético da Terra.
“Esperávamos que a turbulência compressível tivesse um impacto na transferência de energia no plasma do invólucro magnético, mas não que fosse tão significativo,” acrescenta.
Além disso, os cientistas conseguiram derivar uma correlação empírica que relaciona a taxa em que a energia é dissipada no invólucro magnético com a quarta potência de outra quantidade usada para estudar o movimento de fluidos, o chamado número de Mach turbulento. Nomeado pelo físico austríaco Ernst Mach, quantifica a velocidade das flutuações num fluxo em relação à velocidade do som nesse fluido, indicando se um fluxo é subsónico ou supersónico.
Embora a taxa de transferência de energia seja difícil de determinar, a menos que se utilizem sondas espaciais que obtenham medições in situ, como a aeronave Cluster, que tira amostras do plasma em torno da Terra, o número de Mach pode ser mais facilmente estimado usando observações remotas de uma variedade de plasma astrofísico, para além do domínio do nosso planeta.
“Se esta relação empírica se revelar universal, será extremamente útil explorar plasma cósmico que não possa ser examinado diretamente com a nave espacial, como o meio interestelar que permeia a nossa Via Láctea e outras galáxias, “diz Fouad.
Os cientistas estão ansiosos para comparar os seus resultados com as medições do plasma em torno de outros planetas do Sistema Solar com um campo magnético intrínseco, por exemplo através da missão Juno da NASA, atualmente em Júpiter, e o futuro Jupiter Icy Moons Explorer da ESA, e também a missão conjunta ESA-JAXA BepiColombo para Mercúrio, com lançamento programado para o final deste ano.
“É muito emocionante que um estudo, com base em vários anos de dados do Cluster, tenha encontrado a chave para abordar uma grande e longa questão não resolvida na física de plasma,” diz Philippe Escoubet, Cientista do Projeto Cluster da ESA.
Notas aos Editores
O artigo “Compressible magnetohydrodynamic turbulence in the Earth's magnetosheath: estimation of the energy cascade rate using in situ spacecraft data” de L. Z. Hadid et al. encontra-se publicado na Physical Review Letters. doi: 10.1103/PhysRevLett.120.055102.
Cluster é uma constelação de quatro naves espaciais que voam em formação em torno da Terra. É a primeira missão espacial capaz de estudar, em três dimensões, os processos físicos naturais que ocorrem dentro e nas proximidades da magnetosfera terrestre. Lançado em 2000, é composto por quatro ondas espaciais idênticas, que orbitam a Terra numa configuração piramidal, ao longo de uma órbita polar nominal de 4 × 19,6 raios terrestres (1 raio terrestre = 6380 km). A carga útil de última geração do Cluster consiste em instrumentação de plasma para medir campos elétricos e magnéticos em amplas faixas de frequência e parâmetros físicos chave que caracterizam eletrões e iões de energias próximas de 0 eV a alguns MeV. As operações científicas são coordenadas pelo Centro de Operações Científicas Conjuntas (JSOC), no Rutherford Appleton Laboratory, Reino Unido, e implementado pelo Centro Europeu de Operações Espaciais (ESOC) da ESA, em Darmstadt, na Alemanha.
Mais informações sobre a missão Cluster podem ser encontradas aqui.
O ‘Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms’ (THEMIS) consiste em cinco sondas idênticas, para o estudo das erupções coloridas e violentas das auroras. Quando a missão principal THEMIS concluiu em 2010, duas das suas cinco naves espaciais foram reutilizadas como ARTEMIS, e foram movidas para órbitas lunares para estudar as interações da Lua com o Sol.
Mais informações sobre as missões THEMIS e ARTEMIS podem ser encontradas aqui.
Para informações adicionais, é favor contatar:
Lina Zafer Hadid
Swedish Institute of Space Physics
Uppsala, Suecia
Teléfono: +46 18 471 5934
Correo electrónico: lina.hadidirfu.se
Fouad Sahraoui
LPP, CNRS, Ecole Polytechnique, Université Paris-Sud, Observatoire de Paris, Université Paris-Saclay, Sorbonne Université, PSL Research University
Francia
Teléfono: +33 1 6933 5922
Correo electrónico: fouad.sahraouilpp.polytechnique.fr
C. Philippe Escoubet
Cluster Project Scientist
Directorate of Science
European Space Agency
Teléfono: +31 71 565 3454
Correo electrónico: Philippe.Escoubetesa.int
