• Começa com um estrondo

Pergunte a Ethan: Quão vulnerável é a Terra a uma explosão solar?

Um evento da magnitude de Carrington mataria milhões e causaria prejuízos de trilhões de dólares. Infelizmente, não é nem o pior cenário.

Principais conclusões

• Em 1859, ocorreu na Terra a tempestade geomagnética mais poderosa já registrada: desencadeada por uma poderosa erupção solar que ocorreu cerca de 17 horas antes.
• Embora nenhuma criatura biológica tenha sido diretamente prejudicada, todos os tipos de dispositivos eletrificados, incluindo linhas de energia e fios telegráficos, sofreram surtos e pegaram fogo.
• Uma explosão semelhante, hoje, seria um desastre de vários trilhões de dólares e poderia levar a milhões de mortes devido à falta de calor, energia e comida/água. Mas esse nem é o pior cenário.

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Quando pensamos em maneiras pelas quais o Universo pode causar estragos na Terra, tendemos a pensar em algumas das catástrofes mais diretas que podem acontecer – e aconteceram – no passado de nosso planeta. Os ataques de asteróides e cometas causaram devastação e extinções em massa, e podemos ter certeza de que mais estão a caminho. Cataclismos estelares próximos, como supernovas e eventos de ruptura das marés, poderiam irradiar ou até esterilizar nosso planeta. E os buracos negros itinerantes continuam sendo um perigo existencial, pois alguém pode devorar nosso planeta sem aviso prévio.

Mas o Sol, por mais estável e lento que seja, pode ter uma surpresa indesejável reservada para nós: na forma de uma explosão solar ou uma ejeção de massa coronal. Quão em risco estamos? É isso que Seth Goldin quer saber, ao perguntar:

“Quão preocupado devo estar com outro evento da magnitude de Carrington?”

No dia a dia, há coisas piores com que se preocupar. Mas nos próximos anos e décadas, não apenas um impacto direto de um evento meteorológico espacial catastrófico é inevitável, mas um evento do tipo Carrington não é nem o pior cenário. Aqui está o que todos deveriam saber.

Quando partículas carregadas de energia do sol interagem com a Terra, o campo magnético da Terra tende a canalizar essas partículas para baixo em torno dos 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.

Em 1859, a astronomia solar era uma ciência muito simplista. Além de criar uma projeção do Sol ou observá-lo através de um filtro escurecido colocado sobre a lente externa de um telescópio - permitindo-nos ver, contar e rastrear manchas solares, algo que fazíamos desde a época de Galileu - muito pouco se sabia sobre o Sol. Sabíamos que era a fonte primária de energia do nosso planeta, mas não tínhamos ideia dos processos de fusão nuclear que o alimentavam, nem entendíamos a interação entre seu interior e superfície, o poder de seus campos magnéticos ou quanta energia poderia ser liberado dos loops coronais e proeminências na borda de sua fotosfera.

Isso mudou drasticamente em 1859, quando o astrônomo solar Richard Carrington estava rastreando uma mancha solar particularmente grande e irregular. De repente, observou-se um “flare de luz branca”, com brilho sem precedentes e duração de cerca de cinco minutos. Aproximadamente 18 horas depois, a maior tempestade geomagnética registrada na história ocorreu na Terra. Aurorae 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 provocar e iniciar incêndios, mesmo estando totalmente desconectados.

Uma explosão 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 levem 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.

Essa acabou sendo a primeira observação do que hoje conhecemos como explosão solar: um exemplo de clima espacial. Se um evento semelhante a Evento Carrington de 1859 ocorreu aqui na Terra hoje, isso resultaria em um desastre de vários trilhões de dólares. Essa explosão solar surgiu de processos que ocorreram nas camadas mais externas do Sol, que eram visíveis mesmo naquela época durante os eclipses solares totais. Quando os examinamos com tecnologia moderna, inclusive com coronógrafos em plena luz do dia, descobrimos que existem loops, tentáculos e até fluxos de plasma ionizado e quente: átomos que são tão quentes que seus elétrons foram arrancados, deixando apenas núcleos atômicos nus. .

Essas características finas resultam do campo magnético do Sol, pois essas partículas carregadas e quentes seguem as linhas do campo magnético entre 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 de forma caótica, com fortes campos magnéticos que retrocedem, 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 explosões solares, bem como – se a coroa do Sol se envolver – ejeções de massa coronal.

Loops solares coronais, 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 e a Lua. Embora seja difícil de detectar, a coroa solar não termina abruptamente, mas se estende por todo o Sistema Solar, inclusive além da órbita da Terra.

Explosões solares e ejeções de massa coronal consistem em partículas carregadas do sol em movimento rápido: 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 das partículas carregadas que são enviadas pelo Sol, mas também sua velocidade e energia. Eles normalmente ocorrem perto de latitudes equatoriais, o que significa que correm o risco de interceptar a Terra. O Sol faz uma rotação completa a cada 25 dias em seu equador, enquanto a Terra orbita o Sol a cada aproximadamente 365 dias. Quando uma explosão ou ejeção está alinhada com a Terra, nosso planeta está em risco.

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 é potencialmente ameaçador para nós. Isso ocorre quando uma explosão 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 diretamente para nós.

Quando uma ejeção de massa coronal parece se estender em todas as direções relativamente igualmente de nossa perspectiva, um fenômeno conhecido como CME anular, é uma indicação de que provavelmente está indo direto para o nosso planeta.

Na maioria das vezes que uma explosão solar ou uma ejeção de massa coronal é lançada, a Terra está limpa. A maioria desses eventos não atinge a Terra; a maioria dos que atingem a Terra são relativamente fracos e lentos, incapazes de causar qualquer efeito além de um leve show de auroras; a maioria dos fortes que atingem a Terra ainda não causarão nenhum dano à nossa civilização. Na verdade, só estamos com 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 errado, o campo magnético da Terra desviará inofensivamente a maioria das partículas, deixando o restante para fazer nada mais do que criar uma exibição auroral inofensiva. Esse alinhamento ocorre raramente e agora pode ser medido com o Telescópio Solar Daniel K. Inouye da NSF .
2. Explosões solares típicas ocorrem apenas na fotosfera do Sol, mas aquelas que interagem com a coroa solar – geralmente conectadas por uma proeminência solar – podem causar uma ejeção de massa coronal. Se uma ejeção de massa coronal for direcionada diretamente para a Terra e as partículas estiverem se movendo rapidamente, é isso que coloca a Terra em maior perigo.
3. É preciso haver uma grande quantidade de infraestrutura elétrica instalada, especialmente 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 abrangentes, nossa infraestrutura enfrenta ameaças cada vez maiores desses eventos climáticos espaciais.

Quando você move um ímã para dentro (ou para fora) de um loop ou bobina de fio, ele 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 se mover, mas as correntes geradas são as mesmas. No caso de um evento de clima espacial, alterar o campo magnético dentro de um loop ou bobina de fio induz uma corrente, com resultados potencialmente devastadores.

É somente desde o advento de nossa infraestrutura moderna, eletrificada e dependente de eletrônicos, que as explosões solares e as ejeções de massa coronal começaram a representar um perigo para a humanidade. Organismos biológicos não são afetados por essas partículas e o campo magnético induzido muda; o pior que experimentaremos é uma exibição auroral brilhante causada por partículas carregadas sendo canalizadas para nossa atmosfera. Mas hoje, com a enorme quantidade de infraestrutura baseada em eletricidade que agora cobre nosso planeta, o perigo é muito, muito real.

O problema vem de ter fios longos, loops e bobinas de fios, transformadores e infraestrutura elétrica/eletrônica semelhante pela qual a corrente flui. Sempre que a corrente flui, ela cria um campo magnético; sempre que o campo magnético através de um loop ou bobina (ou em torno de um fio) muda, ele pode induzir uma corrente elétrica de forma semelhante. É aí que entra o perigo: os eventos do clima espacial atingem a Terra, impactam e alteram o campo magnético do nosso planeta em sua superfície, o que faz com que o campo magnético dessa infraestrutura elétrico/eletrônica mude, fazendo com que a carga flua e induza uma corrente elétrica. É importante ressaltar que isso ocorre mesmo se:

• não tem bateria,
• nenhuma fonte de tensão,
• e mesmo se os dispositivos eletrônicos estiverem totalmente desconectados.

Usinas elétricas, subestações e linhas de energia de longo alcance correm os maiores riscos de grandes correntes induzidas de eventos climáticos espaciais. Qualquer coisa conectada à rede elétrica no momento em que ocorrer estará vulnerável a um surto de energia, capaz de destruir dispositivos e iniciar incêndios.

É isso que torna o clima espacial tão perigoso para nós aqui na Terra: não que 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:

• curto-circuito elétrico,
• incêndios,
• explosões,
• apagões e interrupções de energia,
• uma perda de infra-estrutura de comunicações,

e muitos outros danos que resultarão como consequências a jusante dessa interrupção. Os 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 de seus dispositivos estaria segura. A grande questão é a infraestrutura montada para produção e transmissão de energia em larga escala; haverá surtos incontroláveis ​​que derrubarão estações de energia e subestações e bombearão muita corrente para cidades e edifícios.

Em 2013, quando nossa infraestrutura era nove anos mais primitiva do que é hoje, um relatório de ponta considerou o que aconteceria apenas com a rede elétrica norte-americana como resultado de um evento do tipo Carrington, caso ocorresse naquela época. Suas conclusões são que, apenas no continente norte-americano, os danos causados ​​chegariam a cerca de US $ 2,6 trilhões . Dado o aumento da infraestrutura terrestre e espacial (chegaremos à última parte em apenas um momento) e o fato de que esses eventos têm consequências globais, um evento moderno semelhante ao Carrington pode se tornar o primeiro desastre natural da humanidade com custos e consequências que excedem um limite de 14 dígitos (US$ 10 trilhões).

Quando partículas carregadas são enviadas do Sol para a Terra, 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 conduzidos 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.

O cenário de pesadelo ficaria assim.

• Uma explosão solar rápida ou ejeção de massa coronal seria emitida e não receberíamos nenhum aviso prévio ou ignoraríamos qualquer aviso que recebemos.
• As partículas carregadas chegariam – não em 3 ou 4 dias, um tempo típico de viagem – mas em menos de 24 horas: evidência de um evento climático espacial extremamente energético.
• Eles seriam anti-alinhados ao máximo com o campo magnético da Terra, permitindo que chovessem sobre a Terra, permeando nossa magnetosfera e mudando drasticamente nosso campo magnético de superfície.
• As auroras seriam superpoderosas, aparecendo globalmente, dia e noite e em todas as latitudes.
• Eles induziriam correntes em nossas redes elétricas, levando a tremendos picos de energia.
• Isso explodiria estações de energia e subestações, causaria fortes surtos de energia nos setores comercial, residencial e industrial e causaria um grande número de incêndios.
• Sem energia, a maioria desses incêndios se alastraria incontrolavelmente; sem nossa infra-estrutura de comunicação, não haveria como levar ajuda a quem precisa.
• Muitos locais ficariam sem energia por semanas, meses ou mais, e o transporte de pessoas e mercadorias para dentro e para fora das cidades diminuiria para um gotejamento ou até mesmo pararia.
• E como essas redes de energia precisariam ser consertadas ou mesmo substituídas totalmente, coisas como aquecimento, resfriamento e entrega de alimentos e água potável para as pessoas que precisam não seriam atendidas.

Na pior das hipóteses, isso não apenas causaria dezenas de trilhões de dólares em danos materiais em todo o mundo, mas milhões e milhões de pessoas congelariam, passariam fome ou morreriam de desidratação após tal tempestade.

A colisão de dois satélites pode criar centenas de milhares de pedaços de detritos, a maioria dos quais são muito pequenos, mas se movem muito rapidamente: 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 intransponível.

A atmosfera pode nos proteger das partículas energéticas emitidas pelo Sol aqui na superfície da Terra, mas nossa infraestrutura espacial não tem essa proteção. Os satélites seriam todos desativados e, se eles dependessem de inteligência artificial para evitar colisões – como a constelação moderna e não regulamentada de satélites Starlink –, isso também seria desativado. Se passar muito tempo antes de serem colocados online novamente, ou simplesmente não tivermos sorte, não apenas ocorrerão colisões, mas cascatas de colisões. No pior cenário, a órbita baixa da Terra pode ficar repleta de lixo espacial, criando um campo de detritos catastrófico que persiste por milênios.

Além disso, o evento Carrington de 1859 não foi um evento único e único que nunca acontecerá novamente. Em 23 de junho de 2012, o sol emitiu uma explosão solar tão energética quanto o evento Carrington de 1859. Ocorreu ao longo do plano equatorial do Sol e, para nossa sorte, o Sol girou na direção errada para que viesse em nossa direção. Se o flare tivesse ocorrido com um diferencial de tempo de 9 dias, teria sido um impacto direto. Além disso, uma análise composta de dados de anéis de árvores, dados de núcleos de gelo e registros históricos indica que em 774/775 , em 993/994 , e em ~ 660 aC , eventos de clima espacial iguais ou maiores em magnitude do que o evento Carrington ocorreu. Há pouco mais de 9.000 anos, um evento 10-100 vezes mais poderoso ocorreu. É possível, talvez até provável, que a sorte seja a única razão pela qual evitamos a catástrofe até agora.

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 de sobrecarga da grade, pode haver mais de um bilhão de pessoas em todo o mundo sem energia, uma série global de incêndios e uma reação em cadeia de colisões descontroladas de satélites. Tudo isso se soma a um desastre natural sem precedentes na história do mundo.

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 a situação em sua própria casa, mas atualmente não existem recomendações oficiais.

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

A detecção precoce é o primeiro passo e estamos fazendo grandes avanços científicos nessa frente. No entanto, até que tenhamos preparado nossa rede elétrica, nosso sistema de distribuição de energia e os cidadãos da Terra para estarem prontos para o inevitável, o “grande” nos custará caro se chegar tão cedo. Ironicamente, sem a infraestrutura de que precisamos, os veículos elétricos serão praticamente inúteis durante esse período; a menos que você tenha um gerador ou algum banco de baterias em grande escala à mão, os combustíveis fósseis serão nosso único salvador. O valor que pagaremos para consertar nossa infraestrutura nos custará o que deixamos de gastar em prevenção muitas vezes, nos próximos anos e até décadas, tudo por causa de nossa falta de vontade coletiva de nos prepararmos.

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