Mudanças no campo magnético da Terra

Cientistas confirmam mudanças no campo magnético da Terra

Fonte: http://www.apolo11.com/ (2017 / 2018)

Editoria: Astronomia

Quarta-feira, 13 dez 2017 – 09h55 

Baseado em dados da constelação de satélites Swarm, cientistas da agência espacial europeia confirmaram que mudanças importantes no campo magnético da Terra estão acontecendo, entre elas o possível enfraquecimento da Anomalia Magnética que atua sobre o Brasil.

Campo magnetcio da Terra

Medições feitas pelos satélites europeus Swarm confirmam uma tendência de enfraquecimento global, com quedas mais significativas no hemisfério ocidental do planeta, embora um aumento na intensidade tenha sido observado acima do oceano Índico desde janeiro de 2013.

Além das medições de intensidade, os dados coletados também confirmam os estudos recentes que revelam o deslocamento do polo norte magnético em direção à Sibéria.

Todas as anomalias verificadas foram detectadas a partir das linhas de força provenientes do núcleo da Terra, correspondente a 90% do total coletado. De acordo com a ESA, os outros 10% serão analisados neste ano e foram originados no manto, crosta, oceanos e magnetosfera terrestre.

Anomalia Magnética do Atlântico Sul
Um dos gráficos que mais chama a atenção é aquele observado no topo do artigo, onde se nota um enfraquecimento natural mais pronunciado nas linhas de fluxo magnético acima de toda a América do Sul, mas ligeiramente mais pronunciado no Sudeste e Centro-Oeste Brasileiros.

Esta região de enfraquecimento é conhecido pelos pesquisadores como Anomalia Magnética do Atlântico Sul, ou AMAS.

Essa anomalia ocorre devido à uma espécie de depressão ou achatamento nas linhas no campo magnético da Terra acima desta região e tem como causa o desalinhamento entre o centro do campo magnético e o centro geográfico do planeta, deslocados entre si por cerca de 460 km no sentido sul-norte.

Esta anomalia foi descoberta em 1958 e sofre alterações ao longo do tempo, principalmente devido ao deslocamento dos polos magnéticos aliada ao enfraquecimento do campo de modo global.

Devido ao campo magnético ser mais fraco, partículas oriundas do cinturão de Van Allen se aproximam mais da alta atmosfera desta região, fazendo com que os níveis de radiação cósmica em grandes altitudes sejam mais altos nesta zona.

Embora os efeitos na superfície sejam praticamente desprezíveis, a AMAS afeta fortemente satélites e outras espaçonaves que orbitam algumas centenas de quilômetros de altitude.

Satélites que cruzam periodicamente a AMAS ficam expostos durante vários minutos à fortes doses de radiações e necessitam de proteção especial. A Estação Espacial Internacional, por exemplo, é dotada de um escudo especialmente desenvolvido para bloquear as radiações.

Estudos
De acordo com Rune Floberghagen, gerente da ESA para a missão Swarm, os dados registrados pelos satélites deverão proporcionar uma nova visão sobre muitos processos naturais que ocorrem em nosso planeta, desde aqueles que tem origem nas profundezas da Terra até os eventos desencadeadas pela atividade solar.

Além disso, no entender do pesquisador, as informações obtidas deverão trazer uma melhor compreensão dos motivos que estão causando o enfraquecimento do campo magnético terrestre e as possíveis consequências que isso terá no futuro.



Arte: O gráfico mostra a intensidade do campo magnético da Terra como registrado pelo satélite europeu SWARM. As áreas vermelhas representam locais onde o campo magnético é mais forte, enquanto as áreas azuis retratam diminuição na intensidade. Crédito: ESA/DTU Space, 

Campo magnético da Terra enfraqueceu sobre o Brasil

Um recente estudo feito pela Agência Espacial Europeia revelou que o campo magnético da Terra está mudando mais rápido do que se pensava e que a proteção magnética sobre a América do Sul se deslocou e enfraqueceu ainda mais.

Campo magnetico da Terra

O estudo foi feito a partir de dados coletados pela constelação de satélites SWARM, CHAMP e ORSTED e mostrou que a variação do campo geomagnético não é uniforme em todo o planeta.

De acordo com os resultados, nas latitudes mais altas da América do Norte foi observado um enfraquecimento de 3.5%, enquanto em partes da Ásia os dados mostraram um fortalecimento de cerca de 2% na intensidade magnética.

Na América do Sul e mais especificamente sobre o Brasil, os pesquisadores notaram um enfraquecimento de quase 3% desde 1999 em algumas localidades. Além disso, os dados mostram um deslocamento em sentido oeste da Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS) que age mais fortemente sobre o Brasil.

Campo magnetico da Terra em maio de 2016

Gráfico mostra as áreas onde o campo magnético teve aumento de intensidade (vermelho) e as regiões onde se observou enfraquecimento (azul). A Anomalia do Atlântico Sul, acima do Brasil, é uma das áreas onde o campo magnético mais sofreu enfraquecimento.

Dínamo enfraquecido
Os motivos do enfraquecimento do campo magnético ainda estão sendo estudados e pode estar ligado à diminuição da atividade atômica no núcleo da Terra, onde o decaimento radioativo é o responsável pelas altas temperaturas ali encontradas. Essa fornalha abastece os movimentos de convecção no interior do fluido, que geram o efeito dínamo e consequentemente o campo magnético.
Deslocamento dos Polos
O movimento dos polos magnético em relação aos polos geográficos é provavelmente o motivo do deslocamento da AMAS no sentido oeste. Sabe-se que os polos magnéticos se movem a razão de 40 km ao ano e já estiveram invertidos em diversas épocas do passado como mostram os estudos feitos em rochas antigas.

Esse movimento não é abrupto e pode levar em média 300 mil anos para ser completado. Estima-se que a última inversão ocorreu há 780 mil anos.
Anomalia Magnética do Atlântico Sul
A anomalia ocorre devido a uma espécie de depressão ou achatamento nas linhas no campo magnético da Terra centralizadas quase sobre o Centro-Oeste brasileiro e tem como causa o desalinhamento entre o centro do campo magnético e o centro geográfico do planeta, deslocados entre si por cerca de 460 km no sentido sul-norte.

A AMAS foi descoberta em 1958 e sofre alterações ao longo do tempo, principalmente devido ao deslocamento dos polos magnéticos aliada ao enfraquecimento do campo de modo global, que já perdeu 10% de sua intensidade de o século 19.

Vale notar que a AMAS já esteve sobre a África e de acordo com o estudo, continua a se deslocar em sentido oeste.

Por ser uma zona magneticamente mais fraca (uma anomalia), as partículas carregadas provenientes do cinturão de Van Allen se aproximam mais da alta atmosfera, fazendo com que os níveis de radiação cósmica em grandes altitudes sejam mais altos nesta área.

Embora os efeitos na superfície sejam praticamente desprezíveis, a AMAS afeta fortemente satélites e outras espaçonaves que orbitam algumas centenas de quilômetros de altitude.

Satélites que cruzam periodicamente a AMAS ficam expostos durante vários minutos a fortes doses de radiações e necessitam de proteção especial. A Estação Espacial Internacional, por exemplo, é dotada de um escudo especialmente desenvolvido para bloquear as radiações.

Reversão geomagnética

Fonte: Wikipédia English
 (mais a seguir veha anomalia sísmica, Reversão da polaridade (sismologia)) .

Polaridade geomagnética nos últimos 5 milhões de anos ( Plioceno e Quaternário , Era Cenozóica tardia ). As áreas escuras indicam períodos em que a polaridade coincide com a polaridade normal de hoje; As áreas claras indicam períodos em que essa polaridade é invertida.

Uma inversão geomagnética é uma mudança no campo magnético de um planeta, de modo que as posições do norte magnético e do sul magnético são trocadas, enquanto o sul geográfico norte e geográfico permanece o mesmo. O campo da Terra alternou entre períodos de polaridade normal , em que a direção predominante do campo era a mesma que a direção atual e a polaridade reversa , na qual era o oposto. Estes períodos são chamados chrons .

Os intervalos de tempo de chrons são distribuídos aleatoriamente, com a maioria entre 0,1 e 1  milhão de anos citação necessária ] com uma média de 450 mil anos. A maioria das reversões é estimada entre 1.000 e 10.000 anos. A última, a inversão Brunhes-Matuyama , ocorreu há 780.000 anos, e pode ter acontecido muito rapidamente, dentro de uma vida humana. [1]

Uma breve reversão completa, conhecida como o evento Laschamp , ocorreu há apenas 41 mil anos durante o último período glacial . Essa reversão durou apenas cerca de 440 anos, com a mudança real de polaridade durando cerca de 250 anos. Durante esta mudança, a força do campo magnético enfraqueceu a 5% da sua força presente. [2] Breves interrupções que não resultam em reversão são chamadas de excursões geomagnéticas .

História 

No início do século 20, os geólogos notaram que algumas rochas vulcânicas eram magnetizadas oposta à direção do campo terrestre local. A primeira estimativa do tempo de reversões magnéticas foi feita por Motonori Matuyama na década de 1920; ele observou que as rochas com campos invertidos eram todas antigas ou antigas do Pleistoco . Na época, a polaridade da Terra era mal compreendida, e a possibilidade de inversão despertou pouco interesse. [3] [4]

Três décadas depois, quando o campo magnético da Terra foi melhor compreendido, as teorias foram avançadas sugerindo que o campo da Terra poderia ter se revertido no passado remoto. A maioria das pesquisas paleomagnéticas no final da década de 1950 incluíam um exame do deslocamento dos pólos e da deriva continental . Embora tenha sido descoberto que algumas rochas inverteram seu campo magnético enquanto esfriavam, tornou-se evidente que a maioria das rochas vulcânicas magnetizadas preservavam vestígios do campo magnético da Terra no momento em que as rochas se arrependeram. Na ausência de métodos confiáveis ​​para a obtenção de idades absolutas para as rochas, pensava-se que as reversões ocorreram aproximadamente a cada milhão de anos. [3] [4]

O próximo grande avanço na compreensão das reversões ocorreu quando as técnicas de datação radiométrica foram desenvolvidas na década de 1950. Allan Cox e Richard Doell , na United States Geological Survey , queriam saber se as reversões ocorreram em intervalos regulares e convidaram o geocronologista Brent Dalrymple a se juntar ao grupo. Eles produziram a primeira escala de tempo de polaridade magnética em 1959. Ao acumularem dados, eles continuaram a refinar essa escala em concorrência com Don Tarling e Ian McDougall na Universidade Nacional Australiana . Um grupo liderado por Neil Opdyke no Observatório Geológico Lamont-Dohertymostraram que o mesmo padrão de reversões foi registrado em sedimentos de núcleos de águas profundas. [4]

Durante a década de 1950 e 1960, informações sobre variações no campo magnético da Terra foram coletadas principalmente por meio de vasos de pesquisa. Mas as rotas complexas dos cruzeiros oceânicos tornaram difícil a associação de dados de navegação com leituras de magnetômetro . Somente quando os dados foram plotados em um mapa tornou-se evidente que listras magnéticas notavelmente regulares e contínuas apareceram nos pisos do oceano. [3] [4]

Em 1963, Frederick Vine e Drummond Matthews forneceram uma explicação simples ao combinar a teoria do espalhamento do lenço marinho de Harry Hess com a escala de tempo conhecida de reversões: o novo fundo do mar é magnetizado na direção do campo de então atual. Assim, o piso do mar espalhando-se de uma crista central produzirá pares de listras magnéticas paralelas ao cume. [5] O canadense LW Morley propôs de forma independente uma explicação semelhante em janeiro de 1963, mas seu trabalho foi rejeitado pelas revistas científicas Nature and Journal of Geophysical Research e permaneceu inédito até 1967, quando apareceu na revista literáriaRevisão do sábado . [3]A hipótese de Morley-Vine-Matthews foi o primeiro teste científico chave da teoria do espalhamento do fundo marinho da deriva continental. [4]

A partir de 1966, os cientistas do Observatório Geológico de Lamont-Doherty descobriram que os perfis magnéticos em todo o Pacífico-Antártico Ridge eram simétricos e combinavam com o padrão na crista de Reykjanes do Atlântico Norte . As mesmas anomalias magnéticas foram encontradas na maioria dos oceanos do mundo, o que permitiu estimativas para quando a maior parte da crosta oceânica havia se desenvolvido. [3] [4]

Observando campos passados

Polaridade geomagnética desde o Jurássico central . As áreas escuras indicam períodos em que a polaridade corresponde à polaridade de hoje, enquanto as áreas claras indicam períodos em que essa polaridade é invertida. O Crecáceo Normal é visível como a faixa preta larga e ininterrupta perto do meio da imagem.

As reversões de campo anteriores podem ser e foram registradas nos minerais ferromagnéticos “congelados” (ou, mais precisamente, ferrimagnéticos ) de depósitos sedimentares consolidados ou fluxos volcanicos refrigerados em terra.

O registro passado das reversões geomagnéticas foi notado pela primeira vez observando as “anomalias” da faixa magnética no fundo do oceano . Lawrence W. Morley , Frederick John Vine e Drummond Hoyle Matthews fizeram a ligação ao espalhamento do fundo marinho na hipótese Morley-Vine-Matthews [5] [6] que logo levou ao desenvolvimento da teoria da tectônica de placas . A taxa relativamente constante na qual o piso do mar seespalha resulta em “listras” de substrato a partir das quais a polaridade do campo magnético passado pode ser inferida a partir de dados coletados de reboque de um magnetômetro ao longo do fundo do mar.

Porque nenhum piso do mar não subterrâneo existente (ou impulso do fundo do mar em placas continentais ) é mais do que cerca de 180 milhões de anos ( Ma ), outros métodos são necessários para detectar reversões mais antigas. A maioria das rochas sedimentares incorpora pequenas quantidades de minerais ricos em ferro , cuja orientação é influenciada pelo campo magnético ambiental no momento em que eles se formaram. Essas rochas podem preservar um registro do campo se não for posteriormente apagado por mudanças químicas, físicas ou biológicas .

Como o campo magnético é global, padrões semelhantes de variações magnéticas em diferentes locais podem ser usados ​​para correlacionar a idade em diferentes locais. Nas últimas quatro décadas, muitos dados paleomagnéticos sobre as idades do fundo do mar (até ~ 250 Ma ) foram coletados e são úteis para estimar a idade das seções geológicas. Não é um método independente de namoro, depende dos métodos de datação por idade “absolutos”, como os sistemas radioisotópicos, para derivar as idades numéricas. Tornou-se especialmente útil para geólogos metamórficos e ígneos onde os fósseis de índice raramente estão disponíveis.

Escala de tempo de polaridade geomagnética editar ]

Através da análise de anomalias magnéticas do fundo do mar e do namoro das sequências de reversão na terra, os paleomagnetistas têm desenvolvido uma Escala de Tempo de Polaridade Geomagnética (GPTS). A escala de tempo atual contém 184 intervalos de polaridade nos últimos 83  milhões de anos. [7] [8]

Alterando a freqüência ao longo do tempo 

A taxa de reversões no campo magnético da Terra variou amplamente ao longo do tempo. Há 72 milhões de anos (Ma) , o campo reverteu 5 vezes em um milhão de anos. Em um período de 4 milhões de anos, centrado em 54 Ma , houve 10 reversões; Em torno de 42 Ma , 17 reversões ocorreram no período de 3  milhões de anos. Em um período de 3  milhões de anos centrado em 24 Ma , ocorreram 13 reversões. Não menos de 51 reversões ocorreram em um período de 12 milhões de anos, centrado em 15  milhões de anos atrás. Duas reversões ocorreram durante um período de 50.000 anos. Essas eras de reversões freqüentes foram contrabalançadas por alguns “supercrons” – períodos longos em que não ocorreram reversões. [9]

Superchrons 

Um supercron é um intervalo de polaridade que dura pelo menos 10  milhões de anos. Existem dois superchrons bem estabelecidos, o Cretáceo Normal e o Kiaman. Um terceiro candidato, o Moyero, é mais controverso. A zona tranquila do Jurassic em anomalias magnéticas oceânicas foi pensada para representar um supercrono, mas agora é atribuída a outras causas.

Cretáceo Normal (também chamado de Crecáceo Supercron ou C34) durou quase 40  milhões de anos, de cerca de 120 a 83 milhões de anos , incluindo estágios do período Cretáceo do Aptiano através do Santoniano . A frequência das reversões magnéticas diminuiu de forma constante antes do período, atingindo o seu ponto baixo (sem reversões) durante o período. Entre o Cretáceo Normal e o presente, a freqüência geralmente aumentou lentamente. [10]

Kiaman Reverse Superchron durou desde aproximadamente o Carbonífero tardio até o Permian tardio , ou por mais de 50  milhões de anos, de cerca de 312 a 262 milhões de anos atrás . [10] O campo magnético tinha polaridade invertida. O nome “Kiaman” deriva da vila australiana de Kiama, onde algumas das primeiras evidências geológicas do supercron foram encontradas em 1925. [11]

O ordoviciano é suspeito de ter hospedado outro supercron, chamado Moyero Reverse Superchron , que dura mais de 20  milhões de anos (485 a 463  milhões de anos). Até agora, este possível supercone só foi encontrado na seção do rio Moyero, ao norte do círculo polar na Sibéria. [12] Além disso, os melhores dados de outras partes do mundo não mostram evidências para este supercron. [13]

Certas regiões do oceano, com mais de 160 Ma , possuem anomalias magnéticas de baixa amplitude que são difíceis de interpretar. Eles são encontrados na costa leste da América do Norte, na costa noroeste da África e no Pacífico ocidental. Já pensaram em representar um supercron chamado de Zona Jurassic Quiet , mas anomalias magnéticas são encontradas em terra durante este período. O campo geomagnético é conhecido por ter baixa intensidade entre cerca de 130 Ma e 170 Ma , e estas seções do fundo do oceano são especialmente profundas, fazendo com que o sinal geomagnético seja atenuado entre o fundo do mar e a superfície. [13]

Propriedades estatísticas das reversões 

Vários estudos analisaram as propriedades estatísticas das reversões na esperança de aprender algo sobre seu mecanismo subjacente. O poder discriminatório dos testes estatísticos é limitado pelo pequeno número de intervalos de polaridade. No entanto, algumas características gerais estão bem estabelecidas. Em particular, o padrão de reversões é aleatório. Não há correlação entre os comprimentos dos intervalos de polaridade. [14] Não há preferência por polaridade normal ou reversa, e nenhuma diferença estatística entre as distribuições dessas polaridades. Essa falta de parcialidade também é uma forte previsão da teoria do dínamo . [10]

Não há taxa de reversões, pois são estatisticamente aleatórias. A aleatoriedade das reversões é inconsistente com a periodicidade, mas vários autores alegaram encontrar periodicidade. [15] No entanto, esses resultados são provavelmente artefatos de uma análise usando janelas deslizantes para tentar determinar as taxas de reversão. [16]

A maioria dos modelos estatísticos de reversões os analisou em termos de processo de Poisson ou outros tipos de processo de renovação . Um processo de Poisson teria, em média, uma taxa de reversão constante, por isso é comum usar um processo de Poisson não estacionário. No entanto, em comparação com um processo de Poisson, há uma menor probabilidade de reversão por dezenas de milhares de anos após uma reversão. Isso pode ser devido a uma inibição no mecanismo subjacente, ou pode significar que alguns intervalos de polaridade mais curtos foram perdidos. [10] Um padrão de reversão aleatória com inibição pode ser representado por um processo gama . Em 2006, uma equipe de físicos da Universidade da Calábria descobriu que as reversões também estão em conformidade com umaA distribuição de Lévy , que descreve processos estocásticos com correlações de longo prazo entre os eventos no tempo. [17] [18] Os dados também são consistentes com um processo determinista, mas caótico. [19]

Caráter das transições 

Duração 

A maioria das estimativas para a duração de uma transição de polaridade são entre 1.000 e 10.000 anos, [10], mas algumas estimativas são tão rápidas quanto a vida humana. [1] Estudos de fluxos de lava de 15 milhões de anos em Steens Mountain , Oregon, indicam que o campo magnético da Terra é capaz de mudar a uma taxa de até 6 graus por dia. [20] Isto foi inicialmente encontrado com o ceticismo dos paleomagnéticos. Mesmo que as mudanças ocorram rapidamente no núcleo, o manto, que é um semicondutor , é pensado para remover variações com períodos inferiores a alguns meses. Foi proposta uma variedade de possíveis mecanismos magnéticos de rocha que levariam a um sinal falso. [21]No entanto, estudos paleomagnéticos de outras seções da mesma região (os basaltos de inundação do Plateau do Oregon) dão resultados consistentes. [22] [23] Parece que a transição de polaridade reversa para o normal que marca o fim do Chron C5Cr ( 16,7  milhões de anos atrás ) contém uma série de reversões e excursões. [24] Além disso, os geólogos Scott Bogue do Occidental College e Jonathan Glen do US Geological Survey, amostrando fluxos de lava em Battle Mountain, Nevada , encontraram evidências de um intervalo breve e de vários anos durante uma reversão quando a direção do campo mudou por mais de 50 graus. A reversão foi datada de cerca de 15  milhões de anos atrás. [25] [26]

Campo magnético 

O campo magnético não desaparecerá completamente, mas muitos pólos podem formar caótica em diferentes lugares durante a reversão, até estabilizar novamente. [27] [28]

Causa 

Simulação computacional da NASA usando o modelo de Glatzmaier e Roberts. [29] Os tubos representam linhas de campo magnético , azul quando o campo aponta para o centro e amarelo quando afastado. O eixo de rotação da Terra é centrado e vertical. Os conjuntos densos de linhas estão dentro do núcleo da Terra. [28]

O campo magnético da Terra e outros planetas que possuem campos magnéticos são gerados por ação de dínamo em que a convecção de ferro fundido no núcleo planetário gera correntes elétricas que, por sua vez, originam campos magnéticos. [10] Em simulações de dínamos planetários, as reversões geralmente emergem espontaneamente da dinâmica subjacente. Por exemplo, Gary Glatzmaier e o colaborador Paul Roberts da UCLA realizaram um modelo numérico de acoplamento entre eletromagnetismo e dinâmica de fluidos no interior da Terra. Sua simulação reproduziu as principais características do campo magnético ao longo de mais de 40.000 anos de tempo simulado e o campo gerado por computador se inverteu. [29] [30]As reversões globais de campo em intervalos irregulares também foram observadas no experimento de laboratório de metal líquido”VKS2″. [31]

Em algumas simulações, isso leva a uma instabilidade em que o campo magnético se desloca espontaneamente para a orientação oposta. Este cenário é suportado por observações do campo magnético solar , que sofre reversões espontâneas a cada 9-12 anos. No entanto, com o Sol, observa-se que a intensidade magnética solar aumenta consideravelmente durante uma inversão, enquanto as reversões na Terra parecem ocorrer durante períodos de baixa intensidade de campo. [32]

Dificuldades hipoteticas

Alguns cientistas, como Richard A. Muller , pensam que as reversões geomagnéticas não são processos espontâneos, mas sim são desencadeadas por eventos externos que perturbam diretamente o fluxo no núcleo da Terra. As propostas incluem eventos de impacto [33] [34] ou eventos internos, como a chegada de lajes continentais carregadas no manto pela ação da tectônica de placas em zonas de subdução ou o início de novas plumas do manto do limite do núcleo-manto . [35]Os adeptos desta hipótese sustentam que qualquer um desses eventos poderia levar a uma grande ruptura do dínamo, efetivamente desligando o campo geomagnético. Como o campo magnético é estável tanto na orientação norte-sul atual quanto na orientação reversa, eles propõem que, quando o campo se recupera dessa interrupção, ele espontaneamente escolhe um estado ou outro, de modo que metade das recuperações se tornem reversões. No entanto, o mecanismo proposto não parece funcionar em um modelo quantitativo, e a evidência da estratigrafia para uma correlação entre inversões e eventos de impacto é fraca. Não há evidências de uma inversão relacionada com o evento de impacto que causou o evento de extinção do Cretáceo-Paleogene . [36]

Efeitos na biosfera 

Pouco depois da primeira polarização geomagnética, as escalas de tempo foram produzidas, os cientistas começaram a explorar a possibilidade de que as reversões pudessem ser associadas às extinções. A maioria dessas propostas baseia-se no pressuposto de que o campo magnético da Terra seria muito mais fraco durante as reversões. Possivelmente, a primeira dessas hipóteses era que as partículas de alta energia presas no cinto de radiação de Van Allen poderiam ser liberadas e bombardear a Terra. [37] [38] Os cálculos detalhados confirmam que, se o campo dipolo da Terra desaparecesse inteiramente (deixando o quadrupolo e os componentes superiores), a maior parte da atmosfera ficaria acessível a partículas de alta energia, mas agiria como uma barreira para elas e raio cósmico colisões produziriam radiação secundária de berílio-10 oucloro-36 . Um aumento do berílio-10 foi observado em um estudo alemão de 2012 que mostra um pico de berílio-10 nos núcleos de gelo da Gronelândia durante uma breve reversão completa há 41 mil anos, o que levou a que a força do campo magnético caísse para um valor estimado de 5% do normal durante a reversão . [2] Há evidências de que isso ocorre tanto durante a variação secular [39] [40] quanto durante as reversões. [41] [42]

Outra hipótese de McCormac e Evans pressupõe que o campo da Terra desaparece inteiramente durante as reversões. [43] Eles argumentam que a atmosfera de Marte pode ter sido corroída pelo vento solar porque não tinha campo magnético para protegê-lo. Eles prevêem que os iões seriam removidos da atmosfera terrestre acima de 100 km. No entanto, as medidas de paleointensidade mostram que o campo magnético não desapareceu durante as reversões. Com base em dados de paleointensidade nos últimos 800.000 anos, [44], a magnetopausia ainda foi estimada em cerca de 3 raios da Terra durante a inversão Brunhes-Matuyama . [37] Mesmo que o campo magnético interno tenha desaparecido, oo vento solar pode induzir um campo magnético na ionosfera da Terra suficiente para proteger a superfície das partículas energéticas. [45]

Hipóteses também foram avançadas para vincular as reversões às extinções em massa . [46] Muitos desses argumentos baseavam-se em uma aparente periodicidade na taxa de reversões; análises mais cuidadosas mostram que o registro de reversão não é periódico. [16] Pode ser, no entanto, que as extremidades dos supercronas tenham causado convecção vigorosa que levem ao vulcanismo generalizado e que a subseqüente cinza no ar causou extinções. [47]

Testes de correlações entre extinções e reversões são difíceis por vários motivos. Os animais maiores são escassos no registro fóssil de boas estatísticas, de modo que os paleontologistas analisaram as extinções de microfóssil. Mesmo os dados de microfossil podem ser pouco fiáveis ​​se existirem hiatos no registro fóssil. Pode parecer que a extinção ocorre no final de um intervalo de polaridade quando o resto desse intervalo de polaridade foi simplesmente erodido. [21] A análise estatística não mostra evidências de uma correlação entre reversões e extinções. [48] [37]

Anomalia do Atlântico Sul

A anomalia a uma altitude de aproximadamente 560 quilômetros [1]

Anomalia do Atlântico Sul (SAA) é uma área onde o cinto de radiação interno de Van Allen da Terra se aproxima da superfície da Terra , mergulhando a uma altitude de 200 quilômetros. Isso leva a um fluxoaumentado de partículas energéticas nesta região e expõe os satélites em órbita a níveis de radiação superiores aos usuais.

O efeito é causado pela não-concentricidade da Terra e seu dipolo magnético . A SAA é a região próxima da Terra onde o campo magnético da Terra é mais fraco em relação a um campo de dipolo idealizado centrado na Terra.

Definição 

A área do SAA é confinada pela intensidade do campo magnético da Terra a menos de 32,000 nanotesla ao nível do mar, [2] que corresponde ao campo magnético dipolar em altitudes ionosféricas . [3] No entanto, o campo em si varia em intensidade como um gradiente. [2] : Figura 1

Posição e forma 

Uma visão transversal dos cintos de radiação de Van Allen, observando o ponto onde ocorre a anomalia do Atlântico Sul

Os cintos de radiação Van Allen são simétricos sobre o eixo magnético da Terra, que é inclinado em relação ao eixo rotacional da Terra com um ângulo de aproximadamente 11 graus. A interseção entre os eixos magnético e de rotação da Terra está localizada não no “meio” da Terra , mas cerca de 450 a 500 km (280 a 310 mi) mais ao norte. Devido a essa assimetria, o cinto interno de Van Allen está mais próximo da superfície terrestre sobre o Oceano Atlântico Sul, onde ele mergulha a 200 km (120 milhas) de altitude, e o mais distante da superfície terrestre sobre o Oceano Pacífico norte. [4] [5]

Intensidade do campo magnético no centro da Anomalia do Atlântico Sul, 1840 a 2020.
Área da Anomalia do Atlântico Sul, 1840 a 2020.

Se o magnetismo da Terra é representado por um ímã de barra de tamanho pequeno, mas intensidade forte (” dipolo magnético “), a variação SAA pode ser ilustrada colocando o ímã não no Equador, mas a uma certa distância dele, mais ou menos sobre Singapura . Como resultado, no norte da América do Sul e no Atlântico sul, perto do ponto antipodal de Cingapura , o campo magnético é relativamente fraco, resultando em uma menor repulsão para as partículas presas dos cintos de radiação lá e, como resultado, essas partículas atingem mais a parte superior atmosfera do que de outra forma. [6]

A forma do SAA muda ao longo do tempo. Desde a sua descoberta inicial em 1958, [7] os limites do sul da SAA permaneceram quase sempre constantes, enquanto uma expansão a longo prazo foi medida ao noroeste, norte, nordeste e leste. Além disso, a forma e a densidade de partículas do SAA varia de forma diurna , com maior densidade de partículas correspondente aproximadamente ao meio-dia local. A uma altitude de aproximadamente 500 km (310 mi), o SAA abrange de -50 ° a 0 ° de latitude geográfica e de -90 ° a + 40 ° delongitude. [8]A porção de maior intensidade da SAA flui para o oeste a uma velocidade de cerca de 0,3 graus por ano, e é notável nas referências abaixo. A taxa de deriva do SAA é muito próxima do diferencial de rotação entre o núcleo da Terra e sua superfície, estimado entre 0,3 e 0,5 graus por ano.

A literatura atual sugere que um lento enfraquecimento do campo geomagnético é uma das várias causas das mudanças nos limites do SAA desde sua descoberta. À medida que o campo geomagnético continua a enfraquecer, o cinto interior de Van Allen se aproxima da Terra, com uma ampliação proporcional do SAA em altitudes específicas. citação necessária ]

Efeitos 

A Anomalia do Atlântico Sul é de grande importância para os satélites astronômicos e outras nave espacial que orbitam a Terra a vários centos quilômetros de altitude; Essas órbitas tomam satélites através da anomalia periodicamente, expondo-os a vários minutos de forte radiação, causada pelos prótons presos na correia interior Van Allen. A Estação Espacial Internacional , em órbita com uma inclinação de 51,6 °, requer blindagem adicional para lidar com esse problema. O Telescópio Espacial Hubble não leva observações ao passar pelo SAA. [9] Os astronautas também são afetados por esta região, que é dito ser a causa de “estrelas cadentes” peculiares (fosfenos ) vistos no campo visual dos astronautas, um efeito denominado fenômeno visual do raio cósmico . [10] Passar pela Anomalia do Atlântico Sul é pensado [11] como o motivo das falhas precoce dos satélites da rede Globalstar .

O experimento PAMELA , ao passar pelo SAA, detectou níveis antiprotonos que eram ordens de magnitude maiores que o esperado. Isso sugere que o cinto de Van Allen confina antipartículas produzidas pela interação da atmosfera superior da Terra com os raios cósmicos . [12]

A NASA informou que os laptops modernos já caíram quando os vôos do ônibus espacial passaram pela anomalia. [13]

Em outubro de 2012, a espaçonave SpaceX CRS-1 Dragon anexada à Estação Espacial Internacional experimentou um problema transitório à medida que passou pela anomalia. [14]

Acredita-se que o SAA tenha iniciado uma série de eventos que levaram à destruição do Hitomi , o observatório de raios-X mais poderoso do Japão. A anomalia desativou transientevelmente um mecanismo de busca de direção, fazendo com que o satélite dependesse unicamente de giroscópios que não funcionavam corretamente, após o que se separou. [15]

Cinto de radiação Van Allen

Arquivo: Van Allen Belts.ogv

Este vídeo ilustra mudanças na forma e intensidade de uma seção transversal das correias de Van Allen

Cintos de radiação Van Allen (seção transversal)

Um cinto de radiação de Van Allen é uma zona de partículas enérgicas carregadas , a maioria dos quais é originário do vento solar que é capturado e mantido em torno de um planeta pelo campo magnético do planeta . A Terra tem dois tais cintos e às vezes outros podem ser temporariamente criados. A descoberta dos cintos é creditada a James Van Allen e, como resultado, os cintos da Terra são conhecidos como cintos Van Allen . Os dois cintos principais da Terra se estendem de uma altitude de cerca de 500 a 58.000 quilômetros [1] acima da superfície em que os níveis de radiação da região variam. A maioria das partículas que formam os cintos é pensada para vir do vento solare outras partículas por raios cósmicos . [2] Ao capturar o vento solar, o campo magnético desvia as partículas energéticas e protege a atmosfera da Terra da destruição.

Os cintos estão localizados na região interna da magnetosfera terrestre . Os cintos prendem os elétronsenergéticos e os prótons . Outros núcleos, como partículas alfa , são menos prevalentes. Os cintos colocam em perigo os satélites , que devem ter seus componentes sensíveis protegidos com blindagem adequada se eles gastarem um tempo significativo nessa zona. Em 2013, a NASA informou que o Van Allen Probes descobriu um transiente, terceiro cinto de radiação, que foi observado por quatro semanas até que foi destruído por uma poderosa onda de choque interplanetária do Sol . [3]

Descoberta 

Kristian Birkeland , Carl Størmer e Nicholas Christofilos investigaram a possibilidade de partículas presas presas antes da era espacial . [4] Explorer 1 e Explorer 3confirmaram a existência do cinto no início de 1958 sob James Van Allen na Universidade de Iowa . A radiação presa foi primeiro mapeada pelo Explorer 4 , Pioneer 3 e Luna 1

O termo cinturões Van Allen se refere especificamente aos cintos de radiação que circundam a Terra; no entanto, cinturões de radiação similares foram descobertos em torno de outros planetas . O Sun não suporta correias de radiação de longo prazo, pois falta um campo de dipolo estável, global. A atmosfera da Terra limita partículas dos cintos para regiões acima 200-1000 Km, [5] (124-620 milhas), enquanto que as correias não se estender para além 8 Terra raios E . [5] As correias são confinadas a um volume que se estende cerca de 65 ° [5] em ambos os lados do equador celestial .

Pesquisa 

Correias de radiação variável de Jupiter

A missão da NASA Van Allen Sonda visa compreender (ao ponto de previsibilidade) como as populações de elétrons e íons relativistas no espaço se formam ou mudam em resposta às mudanças na atividade solar e no vento solar. Instituto NASA para conceitos avançados – estudos financiados propuseram colheres magnéticas para coletar antimatéria que ocorre naturalmente nos cintos Van Allen da Terra, embora apenas cerca de 10 microgramas de antiprotons sejam estimados em toda a correia. [6]

A missão Van Allen Probes foi lançada com sucesso em 30 de agosto de 2012. [7] A missão principal está programada para durar dois anos, com os gastos necessários para durar quatro. O Goddard Space Flight Center da NASA administra o programa Living With a Star , do qual o Van Allen Probes é um projeto, juntamente com o Solar Dynamics Observatory (SDO). O Laboratório de Física Aplicada é responsável pela implementação e gerenciamento de instrumentos para as Sondas Van Allen. [8]

Os cintos de radiação existem em torno de outros planetas e luas no sistema solar que têm campos magnéticos suficientemente poderosos para sustentá-los. Até à data, a maioria desses cintos de radiação foi mal mapeada. O Programa Voyager (ou seja, Voyager 2 ) apenas confirmou nominalmente a existência de cintos semelhantes em torno de Uranus e Neptune .

Correia interna 

Desenho cortante de dois cintos de radiação em torno da Terra: o cinto interno (vermelho) dominado por prótons e o externo (azul) por elétrons. Crédito de Imagem: NASA

O cinto interno de Van Allen se estende tipicamente de uma altitude de 0,2 a 2 raios de terra (valores de L de 1 a 3) ou 1.000 km (620 mi) a 6.000 km (3.700 mi) acima da Terra. [2] [9] Em certos casos em que a atividade solar é mais forte ou em áreas geográficas como a Anomalia do Atlântico Sul , o limite interno pode diminuir para aproximadamente 200 quilômetros [10] acima da superfície da Terra. O cinto interno contém altas concentrações de elétrons na faixa de centenas de keV e prótons energéticos com energias superiores a 100 MeV, presos pelos campos magnéticos fortes (em relação aos cintos externos) na região. [11]

Acredita-se que as energias de protões superiores a 50 MeV nos cintos inferiores em altitudes mais baixas são o resultado da decomposição beta de neutrons criados por colisões de raios cósmicos com núcleos da atmosfera superior. Acredita-se que a fonte de prótons de baixa energia seja a difusão de prótons devido a mudanças no campo magnético durante tempestades geomagnéticas. [12]

Devido ao ligeiro deslocamento dos cintos do centro geométrico da Terra, o cinto interno de Van Allen faz sua aproximação mais próxima à superfície na Anomalia do Atlântico Sul . [13] [14]

Em março de 2014, observou-se um padrão parecido com “listras de zebra” nos cintos de radiação pela Experiência de Composição Iônica de Sondas de Tempestade de Radiação (RBSPICE) a bordo de sondas Van Allen . O motivo relatado foi que devido à inclinação no eixo do campo magnético da Terra, a rotação do planeta gerou um campo elétrico oscilante e fraco que permeia todo o cinto de radiação interna. [15] Mais tarde foi demonstrado que as listras de zebra eram de fato uma marca de ventos ionosféricos nas correias de radiação. [16]

Correia externa 

Simulação laboratorial da influência do cinto Van Allen sobre o vento solar; essas correntes Birkelandtipo aurora foram criadas pelo cientista Kristian Birkeland em sua terrella , um globo ânodo magnetizado em uma câmara evacuada

O cinto externo consiste principalmente de elétrons de alta energia (0,1-10  MeV ) presos pela magnetosfera da Terra. É mais variável do que a correia interna, pois é mais facilmente influenciada pela atividade solar. É quase toroidal em forma, começando em uma altitude de três e estendendo-se para dez raios da Terra ( E ) 13,000 a 60,000 quilômetros (8,100 a 37,300 mi) acima da superfície da Terra. Sua maior intensidade é geralmente em torno de 4-5 E . O cinto externo de radiação de elétrons é produzido principalmente pela difusão radial interna [17] [18] e pela aceleração local [19]devido à transferência de energia a partir de ondas de plasma de modo whistlerpara os elétrons de correia de radiação. Os elétrons do cinto de radiação também são constantemente removidos por colisões com a atmosfera da Terra, [19]perdas para a magnetopusa e sua difusão radial externa. O gyroradii de prótons energéticos seria grande o suficiente para colocá-los em contato com a atmosfera da Terra. Dentro deste cinto, os elétrons têm um fluxo alto e na borda externa (perto da magnetopusa), onde as linhas de campo geomagnético abrem para a “cauda” geomagnética , o fluxo de elétrons energéticos pode cair para os baixos níveis interplanetários em cerca de 100 km (62 mi), uma diminuição de um fator de 1.000.

Em 2014 descobriu-se que a borda interna do cinto externo é caracterizada por uma transição muito afiada, abaixo da qual os elétrons altamente relativistas (> 5MeV) não podem penetrar. [20] O motivo desse comportamento parecido com o escudo não é bem compreendido.

A população de partículas presas da correia externa é variada, contendo elétrons e vários íons. A maioria dos íons estão na forma de prótons energéticos, mas uma certa porcentagem são partículas alfa e íons O + oxigênio, semelhantes aos da ionosfera, mas são muito mais energeticos. Esta mistura de íons sugere que as partículas de corrente do anel provavelmente provêm de mais de uma fonte.

O cinto externo é maior do que o cinto interno e sua população de partículas flutua amplamente. Os fluxos de partículas energéticas (radiação) podem aumentar e diminuir drasticamente em resposta a tempestades geomagnéticas , que são desencadeadas por distúrbios de campo magnético e plasma produzidos pelo Sol. Os aumentos são devidos às injeções relacionadas à tempestade e à aceleração das partículas da cauda da magnetosfera.

Em 28 de fevereiro de 2013, um terceiro cinturão de radiação, composto por partículas carregadas ultrarelativistic de alta energia , foi relatado como sendo descoberto. Em uma coletiva de imprensa da equipe Van Allen Probe da NASA, afirmou-se que este terceiro cinto é um produto da ejeção coronal em massa do Sol. Foi representado como uma criação separada que divide o Cinturão Exterior, como uma faca, no lado externo, e existe separadamente como um recipiente de armazenamento de partículas por um mês, antes de se fundir novamente com o Cinturão Exterior. [21]

A estabilidade incomum deste terceiro cinturão transiente foi explicado como devido a uma “armadilha” pelo campo magnético da Terra de partículas ultrarelativistas, uma vez que são perdidas do segundo, cinto externo tradicional. Enquanto a zona externa, que forma e desaparece ao longo de um dia, é altamente variável devido às interações com a atmosfera, as partículas ultrarelativistas da terceira correia são pensadas para não se espalharem para a atmosfera, pois são muito energéticas para interagir com as ondas atmosféricas em baixas latitudes. [22] Esta ausência de dispersão e a captura permite que eles persistam por um longo tempo, finalmente, apenas sendo destruídos por um evento incomum, como a onda de choque do Sol.

Valores de fluxo 

Nos cintos, em um determinado ponto, o fluxo de partículas de uma determinada energia diminui bruscamente com a energia.

No equador magnético , os elétrons de energias superiores a 500 keV (resp. 5 MeV) têm fluxos omnidirecionais variando de 1,2 × 10 6 (resp. 3,7 × 10 4 ) até 9,4 × 10 9 (resp. 2 × 10 7 ) partículas por centímetro quadrado por segundo.

As correias de prótons contêm prótons com energias cinéticas variando de cerca de 100 keV (que podem penetrar 0,6 μm de chumbo ) para mais de 400 MeV (que podem penetrar 143 mm de chumbo). [23]

A maioria dos valores de fluxo publicados para as correias interna e externa podem não mostrar as densidades de fluxo máximas prováveis ​​que são possíveis nas correias. Há uma razão para essa discrepância: a densidade do fluxo e a localização do fluxo de pico são variáveis ​​(dependendo principalmente da atividade solar), e o número de espaçonaves com instrumentos que observam a correia em tempo real tem sido limitado. A Terra não experimentou uma tempestade solar da intensidade e duração do evento de Carrington enquanto a nave espacial com os instrumentos adequados estiveram disponíveis para observar o evento.

Independentemente das diferenças dos níveis de fluxo nos cintos interno e externo de Van Allen, os níveis de radiação beta seriam perigosos para os seres humanos se estivessem expostos por um longo período de tempo. As missões Apollo minimizaram os perigos para os astronautas enviando nave espacial a altas velocidades através das áreas mais finas das correias superiores, ignorando as correias internas completamente. [13] [24] [25]

Confinamento de antimatéria 

Em 2011, um estudo confirmou especulações anteriores de que o cinto de Van Allen poderia confinar antipartículas. O experimento PAMELA detectou níveis de antiprotons de níveis superiores de magnitude do que o esperado de decadências normais , ao passar pela anomalia do Atlântico Sul . Isso sugere que os cintos Van Allen confinam um fluxo significativo de antiprotons produzidos pela interação da atmosfera superior da Terra com os raios cósmicos. [26] A energia dos antiprotons foi medida na faixa de 60-750 MeV.

Implicações para viagens espaciais 

Comparação de geoestacionários , GPSGLONASS , Galileo , Compass (MEO) , Estação Espacial Internacional , Telescópio Hubble e órbitas de constelação Iridium , com os cintos de radiação Van Allen e a Terra à escala. [a] A órbita da Lua é cerca de 9 vezes maior que a órbita geoestacionária. [b] (No arquivo SVG, passe o mouse sobre uma órbita ou seu rótulo para destacar, clique para carregar seu artigo.)

Nave espacial que viaja além da baixa órbita terrestre entra na zona de radiação dos cintos Van Allen. Além dos cintos, eles enfrentam riscos adicionais de raios cósmicos e eventos de partículas solares . Uma região entre os cintos internos e externos de Van Allen está em dois a quatro raios da Terra e às vezes é chamada de “zona segura”. [27] [28]

As células solares , circuitos integrados e sensores podem ser danificados por radiação. As tempestades geomagnéticas danificam ocasionalmente componentes eletrônicos na nave espacial. A miniaturização e a digitalização de circuitos eletrônicos e lógicos tornaram os satélites mais vulneráveis ​​à radiação, já que a carga elétrica total desses circuitos é agora pequena o suficiente para ser comparável à carga de íons entrantes. A eletrônica em satélites deve ser endurecida contra a radiação para operar de forma confiável. O telescópio espacial Hubble , entre outros satélites, muitas vezes tem seus sensores desligados ao passar por regiões de radiação intensa.[29] Um satélite protegido por 3 mm de alumínio em uma órbita elíptica (200 por 20,000 milhas (320 por 32,190 km)) passando os cintos de radiação receberão cerca de 2.500 rem (25  Sv ) por ano (para comparação, um corpo inteiro A dose de 5 Sv é mortal). Quase todas as radiações serão recebidas enquanto passam o cinto interno. [30]

As missões Apollo marcaram o primeiro evento em que os seres humanos atravessaram os cintos Van Allen, que foi um dos vários riscos de radiação conhecidos pelos planejadores missionários. [31] Os astronautas tiveram baixa exposição nos cintos de Van Allen devido ao curto período de tempo que passou voando através deles. As trajetórias de vôo de Apollo passaram completamente as correias internas e passaram somente pelas áreas mais finas dos cintos externos. [25] [32]

A exposição geral dos astronautas foi realmente dominada por partículas solares uma vez fora do campo magnético da Terra. A radiação total recebida pelos astronautas variou de missão para missão, mas foi medida entre 0,16 e 1,14 rads (1,6 e 11,4  mGy), muito inferior ao padrão de 5 rem (50 mSv) por ano estabelecido pelos Estados Unidos Atomic Energy Comissão para pessoas que trabalham com radioatividade. [31]

Causa 

Em geral, entende-se que os cintos internos e externos de Van Allen resultam de processos diferentes. O cinturão interno, composto principalmente de prótons energéticos, é o produto da decomposição dos chamados nêutrons de ” albedo ” que são eles próprios o resultado de colisões de raios cósmicos na atmosfera superior. O cinto externo consiste principalmente de elétrons. Eles são injetados a partir da cauda geomagnética após tempestades geomagnéticas e, posteriormente, são energizados através de interações onda-partícula .

No cinto interno, as partículas originárias do Sol estão presas no campo magnético da Terra. Partículas espirais ao longo das linhas magnéticas de fluxo à medida que se movem “longitudinalmente” ao longo dessas linhas. À medida que as partículas se movem em direção aos pólos, a densidade da linha do campo magnético aumenta e sua velocidade “longitudinal” é abrandada e pode ser revertida, refletindo a partícula e fazendo com que elas se movam entre os pólos da Terra. [33] Além da espiral e do movimento ao longo das linhas de fluxo, os elétrons movem-se lentamente em direção a leste, enquanto os íons se movem para o oeste.

Um espaço entre as correias internas e externas de Van Allen, às vezes chamado de zona segura ou slot seguro, é causado pelas ondas de muito baixa freqüência (VLF) que espalham partículas no ângulo de afinação, o que resulta no ganho de partículas na atmosfera. Explosões solares podem bombear partículas no espaço, mas drenam novamente em questão de dias. As ondas de rádio foram originalmente pensadas para serem geradas pela turbulência nos cintos de radiação, mas o trabalho recente de James L. Green do Goddard Space Flight Center comparando mapas de atividade de raio coletados pela nave Microlab 1 com dados em ondas de rádio na radiação- espaço de cinto da IMAGEMA nave espacial sugere que eles são realmente gerados por relâmpagos dentro da atmosfera da Terra. As ondas de rádio que geram acenam a ionosfera no ângulo correto para passar apenas em altas latitudes, onde as extremidades inferiores do espaço se aproximam da atmosfera superior. Estes resultados ainda estão sob debate científico.

Proposta de remoção 

High Voltage Orbiting Long Tether , ou HiVOLT, é um conceito proposto pelo físico russo VV Danilov e refinado por Robert P. Hoyt e Robert L. Forward por drenar e remover os campos de radiação dos cintos de radiação Van Allen [34] que cercam o Terra. [35] Uma configuração proposta consiste em um sistema de cinco ataduras condutoras de 100 km de comprimentoimplantado a partir de satélites e carregado para uma grande tensão. Isso faria com que as partículas carregadas que encontraram os tethers para ter seu ângulo de inclinação mudaram; assim, ao longo do tempo, dissolvendo os cintos internos. A empresa de Hoyt e Forward, Tethers Unlimited, realizou uma simulação de análise preliminar em 2011 e produziu um gráfico que descreve uma redução teórica de fluxo de radiação [36] para menos de 1% dos níveis atuais em dois meses para os cintos internos que ameaçam os objetos LEO . [37]