Quando uma Aurora não é uma Aurora? Explicando fenômenos misteriosos chamados “Steve” e “Cerca de Estacas”

Fenômenos chamados “Steve” e “cerca de estacas” estão disfarçados de auroras, argumenta um estudante de pós-graduação.

As cintilantes cortinas verdes, vermelhas e roxas das luzes do norte e do sul – as auroras – podem ser os fenômenos mais conhecidos que iluminam o céu noturno, mas os mais misteriosos são as listras lilases e brancas chamadas Steve e seu companheiro frequente, um “cerca de estacas” verde brilhante.

Reconhecido pela primeira vez em 2018 como distinto das auroras comuns, Steve – uma referência irônica ao nome benigno dado a uma cerca viva assustadora em um filme infantil de 2006 – e sua cerca de estacas associada foram, no entanto, considerados causados ​​pelos mesmos processos físicos . Mas os cientistas ficaram coçando a cabeça sobre como essas emissões brilhantes foram produzidas.

Uma nova explicação para Steve

Claire Gasque, uma Universidade da California, Berkeley, estudante de pós-graduação em física, propôs agora uma explicação física para esses fenômenos que é totalmente diferente dos processos responsáveis ​​pelas conhecidas auroras. Ela se uniu a pesquisadores do Laboratório de Ciências Espaciais (SSL) do campus para propor que NASA lance um foguete no coração da aurora para descobrir se ela está correta.

Auroras vibrantes e fenômenos brilhantes como Steve e a cerca estão se tornando mais comuns à medida que o Sol entra no período ativo de seu ciclo de 11 anos, e novembro foi um bom mês para observações de Steve nas latitudes norte. Como todos esses fenômenos luminosos transitórios são desencadeados por tempestades solares e ejeções de massa coronal do Sol, a aproximação do máximo solar é o momento ideal para estudar eventos raros como Steve e a cerca de estacas.

Compreendendo o fenômeno da cerca de piquete

Gasque descreveu a física por trás da cerca em um artigo publicado no mês passado na revista Cartas de Pesquisa Geofísica e discutirá os resultados em 14 de dezembro em uma palestra convidada na reunião da União Geofísica Americana em São Francisco.

Ela calculou que em uma região da alta atmosfera mais ao sul do que aquela em que as auroras se formam, os campos elétricos paralelos ao campo magnético da Terra poderiam produzir o espectro de cores da cerca de estacas. Se estiver correto, este processo incomum tem implicações na forma como os físicos entendem o fluxo de energia entre a magnetosfera da Terra, que envolve e protege a Terra do vento solar, e a ionosfera na borda do espaço.

“Em alguns casos, isso mudaria a nossa modelagem do que cria a luz e a energia na aurora”, disse Gasque.

“O que é realmente interessante sobre o artigo de Claire é que já sabemos há alguns anos que o espectro de Steve está nos dizendo que há uma física muito exótica acontecendo. Simplesmente não sabíamos o que era”, disse Brian Harding, coautor do artigo e físico pesquisador assistente do SSL. “O artigo de Claire mostrou que campos elétricos paralelos são capazes de explicar este espectro exótico.”

O artigo foi um projeto paralelo do doutorado de Gasque. tese, que se concentra na conexão entre eventos como vulcões na superfície da Terra e fenômenos na ionosfera 100 quilômetros ou mais acima de nossas cabeças.

Mas depois de ouvir sobre Steve – que agora se tornou um acrônimo para Strong Thermal Emission Velocity Enhancement – ​​em uma conferência em 2022, ela não resistiu a examinar a física por trás de Steve e da cerca de estacas.

“É muito legal”, disse ela. “É um dos maiores mistérios da física espacial atualmente.”

A Física de Steve e Cerca de Piquete

As auroras comuns são produzidas quando o vento solar energiza partículas na magnetosfera da Terra, muitas vezes em altitudes superiores a 1.000 quilómetros acima da superfície. Estas partículas energizadas espiralam em torno das linhas do campo magnético da Terra em direção aos pólos, onde colidem e excitam moléculas de oxigênio e nitrogênio na alta atmosfera. Quando essas moléculas relaxam, o oxigênio emite frequências específicas de luz verde e vermelha, enquanto o nitrogênio gera um pouco de linha de emissão vermelha, mas principalmente azul.

As cortinas coloridas e cintilantes resultantes podem se estender por milhares de quilômetros nas latitudes norte ou sul.

Steve, no entanto, não exibe linhas de emissão individuais, mas uma ampla gama de frequências centradas em roxo ou malva. E, ao contrário das auroras, nem Steve nem a cerca emitem luz azul, que é gerada quando as partículas mais energéticas atingem e ionizam o nitrogênio. Steve e a cerca também ocorrem em latitudes mais baixas do que a aurora, potencialmente até ao sul até o equador.

Alguns pesquisadores propuseram que Steve é ​​causado por fluxos de íons na atmosfera superior, conhecidos como deriva iônica subauroral, ou SAID, embora não haja uma explicação física bem aceita de como o SAID poderia gerar as emissões coloridas.

O interesse de Gasque foi despertado por sugestões de que as emissões da cerca poderiam ser geradas por campos elétricos de baixa altitude paralelos ao campo magnético da Terra, uma situação considerada impossível porque qualquer campo elétrico alinhado com o campo magnético deveria rapidamente entrar em curto e desaparecer.

Usando um modelo físico comum da ionosfera, Gasque posteriormente mostrou que um campo elétrico paralelo moderado – cerca de 100 milivolts por metro – a uma altura de cerca de 110 km poderia acelerar elétrons a uma energia que excitaria oxigênio e nitrogênio e geraria o espectro de luz observado da cerca de estacas. Condições incomuns nessa área, como menor densidade de carga plasma e átomos mais neutros de oxigênio e nitrogênio, poderiam atuar como isolamento para evitar curto-circuito no campo elétrico.

“Se você olhar para o espectro da cerca, é muito mais verde do que você esperaria. E não há nada do azul que vem da ionização do nitrogênio”, disse Gasque. “O que isso nos diz é que existe apenas uma faixa específica de energia de elétrons que pode criar essas cores, e eles não podem vir do espaço para a atmosfera, porque essas partículas têm muita energia.”

Em vez disso, disse ela, “a luz da cerca está sendo criada por partículas que precisam ser energizadas ali mesmo no espaço por um campo elétrico paralelo, que é um mecanismo completamente diferente de qualquer aurora que estudamos ou conhecemos”. antes.”

Ela e Harding suspeitam que o próprio Steve possa ser produzido por processos relacionados. Seus cálculos também prevêem o tipo de emissões ultravioletas que esse processo produziria, o que pode ser verificado para verificar a nova hipótese sobre a cerca de estacas.

Embora os cálculos de Gasque não abordem diretamente o brilho liga-desliga que faz o fenômeno parecer uma cerca de estacas, é provavelmente devido a variações ondulatórias no campo elétrico, disse ela. E embora as partículas que são aceleradas pelo campo elétrico provavelmente não sejam do Sol, a agitação da atmosfera pelas tempestades solares provavelmente desencadeia Steve e a cerca de estacas, como acontece com a aurora comum.

Auroras aprimoradas exibem um brilho semelhante ao de uma cerca de estacas

O próximo passo, disse Harding, é lançar um foguete do Alasca através desses fenômenos e medir a força e a direção dos campos elétricos e magnéticos. Os cientistas da SSL são especializados em projetar e construir instrumentos que fazem exatamente isso. Muitos desses instrumentos estão em naves espaciais que agora orbitam a Terra e o Sol.

Inicialmente, o alvo seria o que é conhecido como uma aurora melhorada, que é uma aurora normal com emissões semelhantes a cercas embutidas nela.

“A aurora melhorada é basicamente esta camada brilhante que está incorporada na aurora normal. As cores são semelhantes às da cerca de estacas, pois não há tanto azul nelas e há mais verde do oxigênio e vermelho do nitrogênio. A hipótese é que também sejam criados por campos elétricos paralelos, mas são muito mais comuns do que cercas de estacas”, disse Gasque.

O plano não é apenas “voar um foguete através dessa camada aprimorada para realmente medir esses campos elétricos paralelos pela primeira vez”, disse ela, mas também enviar um segundo foguete para medir as partículas em altitudes mais elevadas, “para distinguir as condições daqueles que causam as auroras.” Eventualmente, ela espera por um foguete que voe diretamente através de Steve e da cerca.

Harding, Gasque e colegas propuseram exatamente essa campanha de foguetes à NASA neste outono e esperam receber uma resposta sobre sua seleção no primeiro semestre de 2024. Gasque e Harding consideram o experimento um passo importante na compreensão da química e da física da alta atmosfera. , a ionosfera e a magnetosfera da Terra, e uma proposta alinhada com o programa Low Cost Access to Space (LCAS) patrocinado pela NASA para projetos como este.

“É justo dizer que haverá muitos estudos no futuro sobre como esses campos elétricos chegaram lá, a quais ondas eles estão ou não associados e o que isso significa para a maior transferência de energia entre a atmosfera da Terra e o espaço. ”, disse Harding. “Nós realmente não sabemos. O artigo de Claire é o primeiro passo na cadeia desse entendimento.”

Gasque agradeceu a contribuição de pessoas que estudam a ionosfera média, ou mesosfera, e a estratosfera, cujas ideias a ajudaram a decifrar a solução.

“Com esta colaboração, conseguimos fazer alguns progressos muito interessantes neste campo”, disse ela. “Honestamente, foi apenas seguir nosso nariz e ficar animado com isso.”

Além de Harding, seus outros coautores são Reza Janalizadeh da Universidade Estadual da Pensilvânia em University Park, Justin Yonker do Laboratório de Física Aplicada da Universidade Johns Hopkins em Laurel, Maryland, e D. Megan Gillies da Universidade de Calgary em Alberta, Canadá.

O apoio parcial para este trabalho foi fornecido pela National Science Foundation (AGS-2010088), pela National Aeronautics and Space Administration (80NSSC21K1386) e pela bolsa Robert P. Lin da UC Berkeley.