AURORAS BOREAIS – O que são, como se formam e como se ver

Desde tempos imemoriais que as auroras boreais são um espectáculo natural que alimenta o temor e a imaginação da Humanidade. Na mitologia, na religião, na literatura, muitos foram aqueles que se sentiram inspirados pelas auroras boreais, associando-lhe uma miríade de ideias e conceitos, tão diversos quanto imaginativos. No entanto, nesta era tecnológica em que vivemos, a perspectiva científica veio ajudar-nos na compreensão desta maravilha natural, tão bela quanto enigmática.

Vamos então perceber o que são as auroras boreais.

O QUE SÃO AS AURORAS BOREAIS

Para se chegar à resolução do mistério das auroras boreais, foram necessárias contribuições fundamentais para a física, como a compreensão da natureza electromagnética da luz e das reacções nucleares que são a fonte de energia interna do sol. Para além disso, a tecnologia permitiu a exploração espacial e uma observação directa e próxima do nosso planeta e dos seus vizinhos cósmicos. Mas, mesmo com a imensa evolução da ciência e tecnologia, os pormenores mais técnicos relativos à explicação das auroras boreais ainda não foram totalmente esclarecidos.

É um tema complexo, que envolve várias áreas da física, todas envolvendo sistemas complexos cujo estudo implica uma combinação de observação, usando a mais avançada tecnologia espacial, e teoria, empregando os mais potentes supercomputadores e os mais recentes estudos académicos. As auroras boreais são assim o acto principal de uma longa peça de teatro, com um enredo complexo, e com várias personagens que interagem e decidem, entre si, o final da história.

1. O Sol

Hoje sabemos que as auroras boreais começam, na realidade, na nossa estrela, o Sol. A geração de energia no interior do sol é seguida por uma libertação de energia, à superfície do sol, para o espaço exterior. Esta libertação de energia não é feita de uma forma constante no tempo e uniforme na superfície da estrela. Sabe-se que o sol tem picos de maior actividade, com um período aproximado de 11 anos, quando a libertação de energia é maior. O último pico de actividade solar foi no ano de 2013, por isso nos próximos anos a actividade solar (e consequentemente a actividade de auroras) tenderá a aumentar. A actividade solar é seguida atentamente por alguns satélites, sendo até possível, por exemplo visitando o Observatório da Dinâmica Solar da NASA, assistir a vídeos que mostram a actividade solar diária.

A libertação de energia à superfície do sol ocorre de variadas formas, sendo o espectro visível que observamos com os nossos olhos a emissão mais perceptível. No entanto, o sol emite ondas electromagnéticas não visíveis para os nossos olhos, tais como infravermelhos, ultravioletas, e raios-X. Para além disso, são emitidas partículas, de uma forma contínua, como protões, electrões e núcleos de hélio (conhecidas como partículas-α), fluxo a que se dá o nome de vento solar (solar wind).

E, embora os pormenores do despoletamento da libertação de energia ainda não sejam totalmente conhecidos, sabemos que fenómenos como as explosões solares (solar flares) e as ejecções de massa coronal (coronal mass ejections) perturbam o vento solar, acrescentando-lhe energia e velocidade. Num período de actividade máxima, o sol produz cerca de 3 ejecções por dia e uma explosão por semana, enquanto num período de mínimo, produz cerca de 1 ejecção em cada cinco dias.

2. O espaço interplanetário

O espaço entre o Sol e os planetas, o chamado espaço interplanetário, é normalmente encarado como espaço vazio e frio, mas, na realidade, é um espaço fervilhante de actividade, dominada pela passagem do vento solar, que viaja a uma velocidade na ordem dos 250 a 1000 km/s. Sendo assim, o vento solar chega à Terra entre 2 a 4 dias após ter sido emitido.

O espaço interplanetário está, assim, pleno de radiação electromagnética, mas também de partículas que se deslocam a grandes velocidades, carregadas electricamente, num estado de matéria chamado plasma. As partículas, carregadas electricamente, transportam consigo também um campo magnético, capaz de influenciar outras partículas, sendo que a intensidade do campo magnético do sol, nas proximidades da Terra, é desta forma aumentado dezenas de vezes (em relação ao valor que teria se não existisse vento solar).

3. A magnetosfera

O planeta Terra comporta-se como se fosse um enorme íman. O movimento de rotação do interior fluido da Terra, constituído por elementos com propriedades magnéticas, cria um campo magnético, que envolve a Terra, e constitui a chamada magnetosfera. A melhor maneira de a visualizar é desenhando as chamadas linhas de campo, que representam a direcção e intensidade do campo magnético. O campo magnético interage com as partículas que vêm do espaço exterior, protegendo a Terra e impedindo que a maioria dessas partículas atinja a atmosfera terrestre, de forma parecida com que uma rocha num rio desvia o fluxo da água. No entanto, a magnetosfera não é, ao contrário da rocha, sólida e impermeável.

A contínua emissão do vento solar molda a magnetosfera terrestre, achatando as linhas de campo na face frente ao sol, e criando uma longa cauda na face à sombra. Ora, uma pequena parte das partículas vindas do sol consegue chegar à atmosfera terrestre através da reconfiguração das linhas de campo no espaço interplanetário e na cauda magnética. Os pormenores deste mecanismo (designado reconexão magnética) ainda são alvo de investigação, mas são estas persistentes partículas que iniciarão a química das auroras boreais.

4. A formação de auroras boreais na atmosfera

Quando as partículas, vindas do espaço exterior, penetram na camada mais alta da atmosfera (a chamada ionosfera), chocam com as partículas constituintes da atmosfera (átomos, moléculas e iões), e a sua energia é convertida noutras formas, sendo que parte dela é transformada em calor, e outra em energia interna das partículas com que chocam.

Quando uma partícula da atmosfera absorve energia, os seus electrões “saltam” para um nível superior de energia (num processo chamado de “excitação”), mas, ao fim de um curto intervalo de tempo, têm tendência a retornar ao seu estado natural. O processo de “desexcitação” das partículas pode ser feito por choques com outras partículas (quando a densidade destas é suficientemente elevada), mas também pela emissão de radiação electromagnética. Essa radiação pode ser visível (nesse caso, é observada como luz), ou invisível para os nossos olhos, como os infravermelhos e os ultravioletas. A luz observada como auroras boreais é, então, devida a este processo. Embora esta hipótese tivesse sido avançada em meados do século XIX, a explicação mais precisa da origem das cores observadas teve de esperar pelo avanço da física teórica e experimental, nomeadamente a teoria quântica e a observação espectroscópica.

O carácter da radiação emitida pelas partículas (o chamado espectro de emissão) depende essencialmente da identidade dos elementos que constituem as partículas (mas também das condições de pressão e temperatura) e, por terem frequências bem definidas, são chamadas linhas espectrais. Cada elemento, e cada partícula, tem assim as suas linhas espectrais, que podem ser usadas para descobrir a sua identidade. Hoje sabe-se que, a altitudes elevadas, a cor vermelha das auroras boreais é devida a uma linha espectral do oxigénio, cuja emissão não se dá a altitudes mais baixas (devido a desexcitação por choques com moléculas de azoto). O verde é, no entanto, a cor mais habitual nas auroras boreais (também porque o olho humano é mais sensível ao verde) devido ao oxigénio a altitudes mais baixas (ainda assim a mais de 100 km de altitude), enquanto o azul e violeta são devidas às linhas espectrais do azoto, a baixas altitudes (abaixo de 100 km). Ocasionalmente, pode observar-se tons amarelos e cor-de-rosa, que resultam da mistura das cores vermelha e verde (ou azul), quando a actividade solar é alta.

5. Ver as auroras boreais

As partículas capturadas pela magnetosfera constituem, à volta da Terra, cinturas de radiação (também chamadas cinturas de Van Allen). Os processos físicos e químicos na base do fenómeno das auroras resultam da interacção das partículas presas na cintura de radiação exterior com as partículas da atmosfera. A fronteira exterior da cintura de radiação exterior (que se mantém fixa em relação ao sol), intersecta a alta atmosfera (que roda por baixo dela) desenhando uma região oval, designada oval auroral, com centro nos pólos magnéticos terrestres. É nesta zona (móvel durante o dia e noite) que as auroras boreais serão visíveis. As dimensões desta oval dependem da actividade geomagnética, medida pelo índice Kp, que vai desde 0, que corresponde a uma ausência ou actividade mínima de auroras boreais, até ao valor 9. Quando a actividade é alta, a oval cresce para latitudes mais baixas, sendo que, em casos excepcionais, as auroras boreais podem ser visíveis no território francês e até no norte de Espanha (e Portugal).

No entanto, em condições normais, a oval estende-se entre os 65 e 75 graus de latitude, fazendo do Alasca, e norte do Canadá, Rússia e Noruega as zonas mais privilegiadas na observação de auroras boreais. Curiosamente, actualmente os telescópios espaciais permitem-nos observar auroras boreais noutros planetas, sendo que, por exemplo, em Júpiter e Saturno, o componente dominante é o hidrogénio, que emite na zona do ultravioleta, sendo necessário uma coloração artificial na fotografia para ser visível aos nossos olhos.

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