Fazendo luz sobre o vento solar: simulação de auroras boreais na escola Teach article

Traduzido por Duarte Nuno Januário. As auroras são uma das maravilhas do mundo natural. Utilizando dispositivos simples, as auroras e fenómenos relacionados podem ser facilmente reproduzidos na sala de aula.

As auroras são um fenómeno intrigante que pode ser visto nas regiões polares, nas quais a camada fina da atmosfera superior brilha e tremeluz durante a noite. Também são conhecidas como luzes do norte ou do sul (luz polar). Neste artigo, explicamos como se formam as auroras e descrevemos quatro atividades, adequadas para alunos com idades entre os 14 e os 16 anos, nas quais podem ser simuladas auroras e fenómenos relacionados.

Talvez de forma inesperada, a causa última das auroras não reside na atmosfera terrestre mas sim no Sol. O Sol – a nossa estrela – liberta a sua energia para o espaço de duas formas: como radiação, da qual vemos todos os dias a parte visível; e como vento solar, que é invisível, mas que origina as auroras quando interage com as camadas superiores da atmosfera. O vento solar é constituído por partículas carregadas – eletrões e iões, sendo estes sobretudo catiões hidrogénio (protões) – e tem propriedades variadas. A sua velocidade pode ir de algumas dezenas de quilómetros por segundo até alguns milhares, e a sua densidade vai de alguns (tipicamente cinco) eletrões e protões por centímetro cúbico à distância a que a Terra se encontra do Sol.

Sendo eletricamente carregado, o vento solar é sensível aos campos magnéticos. Uma das consequências disto é que uma larga proporção das partículas do vento solar que passam pelo nosso planeta são captadas pelo campo magnético da Terra (figura 1) e eventualmente dirigidas a um dos seus polos magnéticos; estas partículas capturadas formam aquilo que se chama a cintura de Van Allen.

Para todos os efeitos, a cintura de Van Allen situa-se bem acima da superfície da Terra (cerca de 45 000 km na região do equador). No polos, contudo, penetra na atmosfera: as suas partículas carregadas colidem com a atmosfera a uma altitude de 80-500 km, onde o ar é rarefeito (com uma pressão de menos de alguns décimos de pascal).

Como é que isto provoca as auroras? Durante as colisões, os átomos da atmosfera ficam ionizados (quando um ou mais eletrões são ejetados) ou excitados (quando a colisão aumenta o nível energético de um eletrão, sem no entanto provocar a sua ejeção), e portanto instáveis.

Para regressar ao seu estado normal, os átomos deverão participar em reações químicas ou libertar a energia que acabaram de absorver sob a forma de luz. Quando este processo emite luz visível, denomina-se aurora. Vistas do espaços, as auroras boreal e austral formam um anel conhecido como a oval da aurora, que demarca a região onde a cintura de Van Allen interceta a atmosfera terrestre (ver imagem à esquerda).

Embora estejamos mais familiarizados com as auroras na Terra, estas não se restringem ao nosso planeta: os astrónomos observaram auroras noutros planetas do Sistema Solar, em particular Júpiter e Saturno, e também em Marte, para além de anomalias magnéticas.

A experiência básica

O cientista Norueguês Kristian Olav Birkeland (1867-1917) foi o primeiro a utilizar uma pequena esfera magnetizada conhecida como a terrela (“pequena Terra”) para demonstrar os mecanismos das auroras. Numa câmara de vácuo, um cátodo, que representa o Sol, produz um fluxo de eletrões (o vento solar, embora na realidade os eletrões sejam apenas um dos seus componentes), enquanto a terrela (ânodo) é sujeita ao vento solar e se comporta como um planeta ou outro corpo do Sistema Solar. A montagem pode variar, conforme descrito abaixo, de forma a demonstrar uma variedade de fenómenos físicos.

Este equipamento pode ser facilmente construído usando materiais vulgarmente encontrados em escolas e leva cerca de 10 horas a montar. A esquematização encontra-se na figura 2; descarregue os detalhes acerca dos materiais e da construção^w1 do site da Science in School.

Atividade 1: Simulação de auroras e da Cintura de Van Allen

Nesta experiência, similar à de Birkeland, simulamos as auroras e a cintura de Van Allen. O equipamento deve ser montado de forma a que o elétrodo suspenso do topo da câmara de vácuo seja o cátodo, representando o Sol e gerando um fluxo de eletrões (figura 2). A esfera magnetizada é o ânodo, representando a Terra, e o seu eixo magnético deve ser perpendicular ao fluxo de eletrões.

Os eletrões (vento solar) são atraídos e envolvem a esfera (“Terra”, o ânodo). Conforme o fazem, colidem com os átomos do gás, uma vez que na câmara não existe um vácuo perfeito, e verificamos isto na forma de um brilho à volta da esfera. Os eletrões movem-se então em direção aos polos da esfera, contornando-a de forma a seguirem as linhas de campo magnético; vemos isto como um anel à volta de cada polo (figura 3).

De que forma esta simulação se relaciona com a realidade? O brilho generalizado à volta da esfera magnética representa a cintura de Van Allen, que na realidade é apenas visível nos polos, onde interceta a atmosfera terrestre. Nesta simulação, uma vez que existem pequenas quantidades de gás em toda a câmara, a nossa “Cintura de Van Allen” permite visualizar todo o campo magnético da “Terra”.

Os anéis brilhantes à volta de cada polo na nossa simulação representam as ovais aurorais. Tal como na realidade, são provocadas por um elevado número de eletrões (recordar que as linhas de campo se encontram mais próximas nos polos) atingindo os átomos do gás.

As cores da simulação, contudo, diferem das que são mais vulgarmente observadas nas luzes do norte e do sul. As cores mais brilhantes nas auroras terrestres (verde e vermelho) são provocadas pelo oxigénio atómico, que esta apenas presente nas camadas superiores da atmosfera. As cores da nossa simulação (púrpura, vermelho, rosa e branco) são encontradas apenas nas auroras que ocorrem a baixas altitudes, onde abundam o oxigénio e o azoto moleculares. Estas cores são visíveis apenas algumas vezes em cada década, quando o vento solar entra na atmosfera com velocidades particularmente elevadas.

Atividade 2: Demonstrando a força de Lorentz

Na experiência anterior, a esfera era o ânodo e representava a Terra, enquanto o outro elétrodo representava um estrela (o Sol). Nesta experiência podemos trocá-los, definindo como cátodo a esfera superior, de forma a verificar o efeito do do vento solar à volta de uma estrela. Quando fazemos isto, vemos um anel brilhante à volta do equador da “estrela” (figura 4).

O que está a acontecer? Os eletrões circulam no equador magnético da esfera superior, sob a influência da força de Lorentz (também conhecida como força de Laplace), que é criada quando uma partícula carregada se move num campo magnético. Esta força é perpendicular tanto à direção de movimentação da partícula como ao campo magnético, e portanto obriga a partícula a girar em torno da linha de campo magnético. Isto cria uma corrente estelar em anel.

Como é que a nossa simulação se relaciona com a realidade? Não existe qualquer corrente estelar em anel porque o campo magnético não é suficientemente forte. É possível, contudo, que as correntes possam existir em torno de outras estrelas com campos magnéticos mais intensos, mas estes não podem ser observados com os telescópios que existem hoje em dia, porque as estrelas são muito mais brilhantes do que essa corrente em anel.

Atividade 3: Criando uma aurora no Sol

Também nesta experiência vamos para além do que é observado na natureza, criando uma aurora no próprio Sol. Mais uma vez, definimos a esfera como cátodo, desta vez aumentando a intensidade do campo magnético através da utilização de um íman mais forte e de uma esfera com uma parede mais fina (utilizámos uma bola de árvore de natal). Quando fazemos isto, verificamos que os eletrões são afastados do “Sol”, mas uma proporção deste “vento solar” regressa ao “Sol” através das suas linhas magnéticas, formando um dramático círculo de luz no polo mais próximo do ânodo, conforme se vê na figura 5.

Será que isto reflete a realidade? Baseados na compreensão do Sol e do vento solar, os cientistas preveem que deve existir uma aurora à volta do Sol, que no entanto não pode ser observada porque o Sol é demasiado brilhante e está demasiado distante.

Atividade 4: Modelando o Sol e a Terra simultaneamente

Até agora, as nossas experiências modelaram o Sol ou a Terra individualmente, representando o outro como um simples elétrodo. Contudo também é possível representar em simultâneo ambos os corpos através de esferas. Nesta atividade, dispensamos o elétrodo simples e no seu lugar colocamos duas esferas magnéticas na câmara de vácuo (figura 6), para demonstrar alguns fenómenos relacionados com a interação entre o Sol e a Terra. Para o Sol, usamos a esfera da atividade 3 (por exemplo uma bola de árvore de natal com um íman no seu interior) como cátodo, e para representar a Terra, um pequeno íman esférico como ânodo.

Vemos um brilho à volta do “Sol” (figura 7A), semelhante ao brilho generalizado à volta da “Terra” na atividade 1. Desta vez, contudo, o brilho representa a coroa solar. A coroa solar resulta da expansão do vento solar conforme sai da estrela, e é apenas visível da Terra durante os eclipses solares; no resto do tempo, é ofuscada pelo brilho da superfície solar. Na realidade, a formação da coroa solar depende não apenas do vento solar mas também da temperatura e da configuração magnética do Sol, portanto, a nossa “coroa” é mais uma analogia do que uma simulação.

O vento solar simulado viaja a partir do Sol (figura 7A) através do espaço interplanetário até à Terra (B). Aqui, tal como na atividade 1, provoca um invólucro brilhante em torno do planeta (a cintura de Van Allen), bem como anéis brilhantes em torno dos polos (as ovais aurorais). Na figura 7, a oval auroral do norte (C) é claramente visível e a do sul está escondida por um dos nossos dispositivos.

Podemos também ver “plumas” brilhantes de luz nas ovais aurorais (figuras 7D, E e F). Estas “plumas” existem na realidade e são chamadas cúspides solares. Na nossa simulação, são o resultado dos campos magnéticos das duas esferas estarem diretamente ligados. Os eletrões viajam através linhas de campo magnético interligadas. Na realidade, a explicação é um pouco mais complexa: as linhas de campo magnético do Sol e da Terra não estão diretamente ligadas, mas sim através do campo magnético interplanetário, que se encontra embebido no vento solar.

Na realidade, ao contrário do que acontece na nossa simulação, as ovais aurorais são mais brilhantes do que as cúspides polares. Isto ocorre porque a aceleração das partículas carregadas que causam as ovais aurorais aumenta conforme entram no campo magnético terrestre, que aumenta a energia e a velocidade das partículas, tornando a aurora mais brilhante. Na simulação, os eletrões viajam a velocidade constante.