Uma gigantesca explosão solar é inevitável e a humanidade está completamente despreparada

Nos últimos 150 anos, todos os grandes sentiram nossa falta. Mas em algum momento, nossa boa sorte vai acabar.



Uma explosão solar, visível à direita da imagem, ocorre quando as linhas do campo magnético se separam e se reconectam. Quando a erupção é acompanhada por uma ejeção de massa coronal, e o campo magnético das partículas na erupção é anti-alinhado com o campo magnético da Terra, uma tempestade geomagnética pode ocorrer, com grande potencial para um desastre natural. (Crédito: NASA/Observatório de Dinâmica Solar)



Principais conclusões
  • O sol emite todo tipo de clima espacial em direções aleatórias, e de vez em quando a Terra está bem na mira.
  • Quando o campo magnético de uma ejeção de massa coronal é anti-alinhado com o da Terra, pode induzir uma tempestade geomagnética muito perigosa.
  • Isso pode levar a um desastre de vários trilhões de dólares se não estivermos preparados – e nunca estivemos em maior perigo.

De 1600 a meados de 1800, a astronomia solar era uma ciência muito simples. Se você quisesse estudar o sol, simplesmente olhava para a luz dele. Você poderia passar essa luz através de um prisma, dividindo-a em seus comprimentos de onda componentes: do ultravioleta através das várias cores do espectro de luz visível até o infravermelho. Você pode ver o disco do sol diretamente, colocando um filtro solar sobre a ocular do seu telescópio ou criando uma imagem projetada do sol, ambas revelando quaisquer manchas solares. Ou você pode ver a coroa do sol durante o espetáculo visualmente mais atraente que a natureza tem a oferecer: um eclipse solar total. Por mais de 250 anos, foi isso.



Isso mudou drasticamente em 1859, quando o astrônomo solar Richard Carrington estava rastreando uma mancha solar particularmente grande e irregular. De repente, foi observado um clarão de luz branca, com brilho sem precedentes e com duração de cerca de cinco minutos. Aproximadamente 18 horas depois, a maior tempestade geomagnética da história registrada ocorreu na Terra. Auroras eram visíveis em todo o mundo, inclusive no equador. Os mineiros acordaram no meio da noite, pensando que era madrugada. Os jornais podiam ser lidos à luz da aurora. E, de forma preocupante, os sistemas de telégrafo começaram a acender faíscas e incêndios, mesmo estando totalmente desconectados.

Esta acabou por ser a primeira observação do que agora conhecemos como uma explosão solar: um exemplo de clima espacial. Se um evento semelhante ao Evento Carrington de 1859 ocorresse aqui na Terra hoje, resultaria em um desastre de vários trilhões de dólares. Aqui está o que todos nós devemos saber sobre isso.



Aurora boreal

Quando partículas carregadas energéticas do sol interagem com a Terra, o campo magnético da Terra tende a canalizar essas partículas para os pólos da Terra. As interações entre essas partículas solares e a atmosfera superior normalmente resultam em uma exibição auroral, mas o potencial de alterar severamente o campo magnético da superfície da Terra e induzir correntes não pode ser ignorado. ( Crédito : Daniil Khogoev / pxhere)



Quando pensamos no sol, normalmente pensamos em duas coisas: a fonte interna de seu poder, a fusão nuclear em seu núcleo e a radiação que ele emite de sua fotosfera, aquecendo e alimentando todos os tipos de processos biológicos e químicos na Terra e em outros lugares do sistema solar. Esses são dois dos principais processos que envolvem nosso sol, com certeza, mas existem outros. Em particular, se examinarmos de perto as camadas mais externas do Sol, descobriremos que existem laços, gavinhas e até mesmo fluxos de plasma ionizado quente: átomos que são tão quentes que seus elétrons foram arrancados, deixando apenas núcleos atômicos nus. .

Esses traços finos resultam do campo magnético do sol, pois essas partículas quentes e carregadas seguem as linhas do campo magnético entre as diferentes regiões do sol. Isso é muito diferente do campo magnético da Terra. Enquanto somos dominados pelo campo magnético criado no núcleo metálico do nosso planeta, o campo do sol é gerado logo abaixo da superfície. Isso significa que as linhas entram e saem do sol caoticamente, com fortes campos magnéticos que retornam, se separam e se reconectam periodicamente. Quando esses eventos de reconexão magnética ocorrem, eles podem levar não apenas a mudanças rápidas na força e direção do campo próximo ao sol, mas também à rápida aceleração de partículas carregadas. Isso pode levar à emissão de erupções solares, bem como – se a coroa do sol estiver envolvida – ejeções de massa coronal.



explosão solar

Loops coronais solares, como os observados pelo satélite Transition Region And Coronal Explorer (TRACE) da NASA aqui em 2005, seguem o caminho do campo magnético no Sol. Quando esses loops “quebram” da maneira certa, eles podem emitir ejeções de massa coronal, que têm o potencial de impactar a Terra. ( Crédito : NASA/TRACE)

O que acontece no sol, infelizmente, nem sempre permanece no sol, mas se propaga livremente por todo o sistema solar. Explosões solares e ejeções de massa coronal consistem em partículas carregadas em movimento rápido do sol: principalmente prótons e outros núcleos atômicos. Normalmente, o sol emite um fluxo constante dessas partículas, conhecido como vento solar. No entanto, esses eventos climáticos espaciais – na forma de explosões solares e ejeções de massa coronal – podem não apenas aumentar muito a densidade de partículas carregadas que são enviadas pelo sol, mas também sua velocidade e energia.



Explosões solares e ejeções de massa coronal, quando ocorrem, geralmente acontecem ao longo das latitudes central e média do sol, e raramente em torno das áreas polares. Parece não haver rima ou razão para sua direcionalidade – eles são tão prováveis ​​de ocorrer na direção da Terra quanto em qualquer outra direção. A maioria dos eventos climáticos espaciais que ocorrem em nosso sistema solar são benignos, pelo menos do ponto de vista do nosso planeta. É somente quando um evento vem diretamente para nós que ele representa um perigo potencial.



Dado que agora temos satélites e observatórios de monitoramento do sol, eles são nossa primeira linha de defesa: para nos alertar quando um evento climático espacial for potencialmente ameaçador para nós. Isso ocorre quando uma erupção aponta diretamente para nós, ou quando uma ejeção de massa coronal parece anular, o que significa que vemos apenas um halo esférico de um evento potencialmente direcionado a nós.

explosão solar

Quando uma ejeção de massa coronal parece se estender em todas as direções relativamente igualmente da nossa perspectiva, um fenômeno conhecido como CME anular, isso é uma indicação de que provavelmente está indo direto para o nosso planeta. ( Crédito : ESA / NASA / SOHO)



Seja de uma explosão solar ou de uma ejeção de massa coronal, no entanto, uma enorme quantidade de partículas carregadas em direção à Terra não significa automaticamente um desastre. Na verdade, só teremos problemas se três coisas ocorrerem ao mesmo tempo:

  1. Os eventos climáticos espaciais que ocorrem precisam ter o alinhamento magnético adequado em relação ao nosso próprio planeta para penetrar em nossa magnetosfera. Se o alinhamento estiver desligado, o campo magnético da Terra desviará inofensivamente a maioria das partículas, deixando o restante para não fazer nada além de criar uma exibição auroral inofensiva.
  2. As erupções solares típicas ocorrem apenas na fotosfera do sol, mas aquelas que interagem com a coroa solar – muitas vezes conectadas por uma proeminência solar – podem causar uma ejeção de massa coronal. Se uma ejeção de massa coronal é direcionada diretamente para a Terra e as partículas estão se movendo rapidamente, é isso que coloca a Terra em maior perigo.
  3. É preciso haver uma grande quantidade de infra-estrutura elétrica no local, particularmente loops de grande área e bobinas de fio. Em 1859, a eletricidade ainda era relativamente nova e rara; hoje, é uma parte onipresente de nossa infraestrutura global. À medida que nossas redes de energia se tornam mais interconectadas e de longo alcance, nossa infraestrutura enfrenta uma ameaça maior desses eventos climáticos espaciais.
explosão solar

Uma erupção solar do nosso Sol, que ejeta matéria para longe de nossa estrela-mãe e para o Sistema Solar, pode desencadear eventos como ejeções de massa coronal. Embora as partículas normalmente demorem cerca de 3 dias para chegar, os eventos mais energéticos podem atingir a Terra em menos de 24 horas e podem causar os maiores danos à nossa infraestrutura eletrônica e elétrica. ( Crédito : NASA/Observatório de Dinâmica Solar/GSFC)



Em outras palavras, a maioria dos eventos climáticos espaciais que ocorreram ao longo da história não representariam nenhum perigo para os humanos em nosso planeta, pois os únicos efeitos discerníveis que teriam seriam causar uma exibição espetacular de auroras. Mas hoje, com a enorme quantidade de infraestrutura baseada em eletricidade que agora cobre nosso planeta, o perigo é muito, muito real.

O conceito é bem fácil de entender e existe desde a primeira metade do século 19: corrente induzida. Quando construímos um circuito elétrico, normalmente incluímos uma fonte de tensão: uma tomada, uma bateria ou algum outro dispositivo capaz de fazer com que cargas elétricas se movam através de um fio condutor de corrente. Essa é a maneira mais comum de criar uma corrente elétrica, mas há outra: alterando o campo magnético presente dentro de um loop ou bobina de fio.

Quando você passa uma corrente através de um laço ou bobina de fio, você altera o campo magnético dentro dele. Quando você desliga essa corrente, o campo muda novamente: uma corrente variável induz um campo magnético. Bem, como mostra Michael Faraday todo o caminho de volta em 1831 , 190 anos atrás, o inverso também é verdadeiro. Se você alterar o campo magnético dentro de um loop ou bobina de fio - como movendo um ímã de barra para dentro ou para fora do próprio loop / bobina - ele induzirá uma corrente elétrica no próprio fio, o que significa que fará com que a carga elétrica flua mesmo sem bateria ou outra fonte de voltagem.

Quando você move um ímã para dentro (ou fora) de um laço ou bobina de fio, isso faz com que o campo mude ao redor do condutor, o que causa uma força nas partículas carregadas e induz seu movimento, criando uma corrente. Os fenômenos são muito diferentes se o ímã estiver parado e a bobina for movida, mas as correntes geradas são as mesmas. Esta não foi apenas uma revolução para eletricidade e magnetismo; foi o ponto de partida para o princípio da relatividade. ( Crédito : OpenStaxCollege, CCA-by-4.0)

É isso que torna o clima espacial tão perigoso para nós aqui na Terra: não que ele represente uma ameaça direta aos humanos, mas que pode fazer com que enormes quantidades de corrente elétrica fluam pelos fios que conectam nossa infraestrutura. Isso pode levar a:

  • shorts elétricos
  • incêndios
  • explosões
  • apagões e falta de energia
  • uma perda de infra-estrutura de comunicações
  • muitos outros danos que aparecerão a jusante

Eletrônicos de consumo não são um grande problema; se você soubesse que uma tempestade solar estava chegando e desconectasse tudo em sua casa, a maioria dos seus dispositivos estaria segura. O grande problema é com a infraestrutura montada para produção e transmissão de energia em larga escala; haverá surtos incontroláveis ​​que derrubarão centrais elétricas e subestações e bombearão muita corrente para cidades e edifícios. Não apenas um grande evento – comparável ao evento Carrington de 1859 – seria um desastre de vários trilhões de dólares, mas também poderia matar milhares ou até milhões de pessoas, dependendo de quanto tempo levasse para restaurar o calor e a água para os mais severamente afetados.

Em fevereiro de 2021, cerca de 4,4 milhões de texanos perderam energia devido a uma tempestade de inverno. No caso de um evento climático espacial sobrecarregando a rede, pode haver mais de um bilhão de pessoas em todo o mundo sem energia, um desastre natural sem precedentes no mundo. ( Crédito : NOAA)

A primeira coisa em que precisamos investir, se realmente levarmos a sério a prevenção do pior cenário para esse evento, é a detecção precoce. Embora possamos olhar para o sol remotamente, obtendo estimativas de quando erupções e ejeções de massa coronal podem ser potencialmente perigosas para a Terra, contamos com dados incompletos. Somente medindo os campos magnéticos das partículas carregadas que viajam do Sol para a Terra – e comparando-os com a orientação do campo magnético da Terra naquele momento específico – podemos saber se tal evento teria um impacto potencialmente catastrófico em nosso planeta.

Nos últimos anos, confiamos nos satélites de observação do sol que colocamos entre a Terra e o sol: no ponto L1 Lagrange, a cerca de 1.500.000 km da Terra. Infelizmente, no momento em que as partículas que fluem do sol chegam a L1, elas viajaram 99% do caminho do sol à Terra e normalmente chegarão entre 15 e 45 minutos depois. Isso está longe de ser o ideal quando se trata de prever uma tempestade geomagnética, muito menos se envolver em medidas para mitigar uma. Mas tudo isso está mudando à medida que o primeiro dos observatórios solares da próxima geração ficou online recentemente: o DKIST da National Science Foundation, ou o Telescópio Solar Daniel K. Inouye .

A luz do sol, fluindo através da cúpula aberta do telescópio solar Daniel K. Inouye (DKIST), atinge o espelho primário e faz com que os fótons sem informações úteis sejam refletidos, enquanto os úteis são direcionados para os instrumentos montados em outras partes do telescópio. ( Crédito : NSO / NSF / AURA)

O telescópio Inouye é extremamente grande, com um espelho primário de 4 metros de diâmetro. De seus cinco instrumentos científicos, quatro deles são espectropolarímetros, projetados e otimizados para medir as propriedades magnéticas do sol. Em particular, nos permite medir o campo magnético em todas as três camadas observáveis ​​do sol: fotosfera, cromosfera e em toda a coroa solar. Armados com essas informações, podemos saber com grande confiança qual é a orientação do campo magnético de uma ejeção de massa coronal a partir do momento em que é emitida e podemos determinar facilmente que tipo de perigo esse material ejetado representa para a Terra.

Em vez de menos de uma hora de tempo de espera, poderíamos ter um aviso de até três a quatro dias completos que normalmente leva material coronal ejetado para viajar para a Terra. Mesmo para um evento do tipo Carrington, que viajou aproximadamente cinco vezes mais rápido que as ejeções de massa coronal típicas, ainda teríamos ~ 17 horas de aviso - muito mais do que tínhamos antes da primeira revelação de Inouye em 2020. Porque é funciona como um magnetômetro de medição solar , o telescópio Inouye, que é o primeiro de nossos observatórios solares de última geração, nos dá um aviso maior de uma potencial catástrofe geomagnética do que já tivemos.

explosão solar

Quando partículas carregadas são enviadas para a Terra a partir do sol, elas são dobradas pelo campo magnético da Terra. No entanto, em vez de serem desviadas, algumas dessas partículas são canalizadas ao longo dos pólos da Terra, onde podem colidir com a atmosfera e criar auroras. Os maiores eventos são impulsionados por CMEs no sol, mas só causarão exibições espetaculares na Terra se as partículas ejetadas do sol tiverem o componente correto de seu campo magnético anti-alinhado com o campo magnético da Terra. ( Crédito : NASA)

É importante que não exageremos nem minimizemos os perigos que enfrentamos. Em circunstâncias normais, o sol emite partículas carregadas e, ocasionalmente, eventos magnéticos impulsionam a liberação de erupções e, mais raramente, ejeções de massa coronal. Na maioria das circunstâncias, esses fluxos de partículas são de baixa energia e movimento lento, levando cerca de três dias para percorrer a distância Terra-Sol. A maioria desses eventos perderá a Terra, pois estão localizados no espaço e as chances de atingir nossa localização precisa são baixas. Mesmo que eles atinjam a Terra, o campo magnético do nosso planeta os canalizará inofensivamente, a menos que os campos magnéticos sejam acidentalmente (anti-)alinhados.

Mas se tudo se alinhar precisamente da maneira errada – e isso é realmente apenas uma questão de tempo e chance aleatória – o resultado pode ser desastroso. Embora essas partículas não possam penetrar na atmosfera diretamente e prejudicar diretamente os organismos biológicos, elas podem causar enormes danos à nossa infraestrutura elétrica e eletrônica. Todas as redes elétricas do mundo podem cair. Se o dano for grande o suficiente, tudo pode precisar de reparo ou até mesmo substituição; danos só nos EUA podem chegar a ~ $ 2,6 trilhões . Além disso, a infraestrutura baseada no espaço, como satélites, pode ser desligada, potencialmente levando a outro desastre se a órbita baixa da Terra ficar muito lotada: uma cascata de colisões, tornada inevitável se os sistemas responsáveis ​​pela prevenção de colisões forem desligados.

A colisão de dois satélites pode criar centenas de milhares de pedaços de detritos, a maioria dos quais são muito pequenos, mas muito rápidos: até ~10 km/s. Se houver satélites suficientes em órbita, esses detritos podem desencadear uma reação em cadeia, tornando o ambiente ao redor da Terra praticamente intransitável. ( Crédito ESA/Escritório de Detritos Espaciais)

Em 23 de junho de 2012, o sol emitiu uma erupção solar que foi tão enérgica quanto o evento Carrington de 1859. Era a primeira vez que isso acontecia desde que desenvolvemos as ferramentas capazes de monitorar o sol com a precisão necessária. A erupção ocorreu no plano orbital da Terra, mas as partículas nos erraram pelo equivalente a nove dias. Semelhante ao evento Carrington, as partículas viajaram do sol para a Terra em apenas 17 horas. Se a Terra estivesse no caminho na época, o número global de danos poderia ter atingido a marca de US$ 10 trilhões: o primeiro desastre natural de 14 dígitos na história. Foi apenas por sorte que evitamos a catástrofe.

No que diz respeito às estratégias de mitigação, estamos apenas um pouco melhor preparados hoje do que há nove anos. Temos aterramento insuficiente na maioria das estações e subestações para direcionar grandes correntes induzidas para o solo em vez de residências, empresas e edifícios industriais. Poderíamos ordenar que as empresas de energia cortassem as correntes em suas redes elétricas – uma redução gradual que requer cerca de 24 horas – o que poderia reduzir os riscos e a gravidade dos incêndios, mas isso nunca foi tentado antes. E poderíamos até emitir recomendações sobre como lidar com sua própria casa, mas não existem recomendações oficiais atualmente.

A detecção precoce é o primeiro passo, e estamos fazendo grandes avanços científicos nessa frente. No entanto, até prepararmos nossa rede elétrica, nosso sistema de distribuição de energia e os cidadãos da Terra para estarem prontos para o inevitável, o grande será pago muitas vezes, por anos e até décadas, porque falhamos investir na prevenção de que tanto precisamos.

Neste artigo Espaço e Astrofísica

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