Monografia - O Campo Magnético da Terra

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CAIO FÁBIO TEIXEIRA CORREIA
O CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA
Monografia apresentada ao Programa de
Educação Tutorial do curso de Bacharelado
em Física diurno, com finalidade de cumprir
uma das obrigações anuais perante o
programa.
Universidade Federal da Paraíba
Tutor: Prof. Dr. Pedro Luiz Christiano
JOÃO PESSOA, 2007.
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RESUMO:
O campo magnético do planeta Terra é um dos diversos fatores fundamentais para a
manutenção da vida, pois é essencial para o equilíbrio dos ciclos atmosféricos e geológicos,
protegendo direta e indiretamente os seres vivos. Talvez nosso lar não fosse capaz de
sustentar a vida sem ele.
Neste trabalho, de aspecto inteiramente informativo, será abordado como é um campo
magnético, de que forma ele é gerado no planeta, seu equilíbrio, a maneira como interage com
os ventos e as tempestades solares e será mostrado, nos apêndices, um pouco sobre os campos
magnéticos dos outros planetas, a título de comparação. As tempestades e o Vento Solar
influenciam e interagem fortemente com o campo magnético de nosso planeta, formando
anéis de partículas, ondas de choque, distorção no seu formato, auroras, entre outros
fenômenos.
Analisando rochas vulcânicas, potes de barro e medições dos navegadores desde o séc.
XVI, os especialistas têm fortes evidências de que um dos processos naturais que nele
ocorrem é o fenômeno da inversão de polos, e que isto pode estar começando a ocorrer,
deixando o planeta desprotegido por centenas de anos.
Palavras-chave: Eletromagnetismo, Vento solar, Magnetosfera, Aurora, Inversão de
campo.
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AGRADECIMENTOS
Tenho a agradecer, primeiramente, às pessoas mais
próximas de mim, como meu pai, por não medir esforços
em me dar as condições para que eu possa estudar
confortavelmente.
Minha namorada, Marina, por sempre conseguir
me descansar das horas pesquisando ou escrevendo essa
monografia, pela disposição em ajudar, através de
algumas dicas e por ser a única a ter paciência de me
ouvir explicar sobre o que estou escrevendo.
E, claro, a todos integrantes (de agora e do
passado) do Programa de Educação Tutorial, por
manterem essa oportunidade de que realizemos várias
atividades que visam nossa formação completa como
cientistas e cidadãos.
Seria injusto não mencionar aqui o tutor do grupo,
Prof. Pedro, pela disposição, crença e dedicação ao
programa, que são também incentivos para a realização e
dedicação de forma satisfatória a este trabalho.
4
SUMÁRIO:
1.
2.
3.
4.
OS ÍMÃS E OS CAMPOS MAGNÉTICOS
.
A ORIGEM DO CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA
VENTO SOLAR E EJEÇÕES DE MASSA CORONAL
ESTRUTURA E INTERAÇÃO COM O VENTO SOLAR
4.1
4.2
4.3
4.4
5.
A Magnetosfera .
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Cinturões de Radiação de Van Allen
Tempestades Magnéticas
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As auroras
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EQUILÍBRIO DO CAMPO DE ORIGEM INTERNA
5.1
5.2
5.3
Potes de barro e o histórico de quatro séculos
Paleomagnetismo e inversões de campo
O processo e consequências .
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REFERÊNCIAS
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APÊNDICE A - TABELAS DE ALGUMAS UNIDADES ÚTEIS .
.
APÊNDICE B - UM RESUMO SOBRE OS CAMPOS DE OUTROS ASTROS
A.1
A.2
A.3
A.4
A.5
O sol
.
Mercúrio.
Vênus .
Marte .
Planetas gasosos
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OS ÍMÃS E OS CAMPOS MAGNÉTICOS
Antes de apresentar sobre o campo magnético da Terra, se faz necessário explicar
os campos magnéticos em geral, ímãs e fenômenos capazes de gerar campos magnéticos.
As propriedades magnéticas das substâncias se devem a uma das propriedades
quânticas dos elétrons, seu spin (palavra em inglês que significa girar em torno de si
mesmo). O conceito de spin surgiu da necessidade de se explicar os resultados
inesperados obtidos na experiência de Stern-Gerlach na década de 1920. Nessa
experiência, um feixe colimado de átomos de prata, oriundos de um forno a alta
temperatura, atravessava uma região com campo magnético altamente não-homogêneo.
Tal experimento era destinado a medir a distribuição dos momentos magnéticos, devidos
principalmente aos elétrons. Como os átomos, na temperatura em que estavam
emergindo do forno, estavam no seu estado fundamental, deveriam sofrer desvios nulos
na presença do campo magnético não-homogêneo, ou seja, esperava-se que o feixe
espalhasse de forma aleatória, durante seu tempo de vôo.
No entanto, o resultado obtido foram duas manchas de depósito de prata sobre o
alvo, indicando que o feixe se dividira em dois durante o percurso. Isso indicou que o
momento angular total de cada átomo de prata não era nulo. Dessa forma, além do
momento angular orbital dos elétrons, estes possuíam então um outro momento angular,
intrínseco, uma propriedade quântica da matéria, que foi chamado de “spin” e só admite
duas configurações, como é comum dizer: para cima ou para baixo.
Como o elétron tem carga, desse momento angular intrínseco deriva-se um
momento magnético, se comportando como uma minúscula agulha magnética, tendendo
a se alinhar na direção do campo magnético a que está submetido. Na maioria dos
átomos, o spin total é nulo, pois os elétrons ocupam os orbitais satisfazendo o princípio
da exclusão de Linus Pauling, ora com o spin de um elétron num sentido, ora no outro.
Entretanto, para certos elementos, devido à sua forma, o spin total é diferente de zero,
fazendo com que o átomo tenha um momento magnético temporário ou permanente.
Este é o caso dos elementos do grupo de transição do ferro, como níquel, manganês,
ferro e cobalto, e vários elementos de terra raros, como európio, gadolínio, entre outros,
e algumas ligas formadas por esses elementos.
Em geral, diz-se que campos magnéticos são gerados quando ‘partículas’ com
cargas elétricas estão em movimento (ao mencionar partículas, estarei sempre me
referindo aos corpos com tamanho da ordem de um átomo, de partículas atômicas).
Assim, ao passar corrente elétrica através de um fio, se formará um campo magnético
nas suas proximidades. Os campos magnéticos também podem ser gerados quando
ocorre variação de um campo elétrico e vice-versa. O magnetismo está intimamente
conectado com a eletricidade, por isso, hoje em dia, se fala em eletromagnetismo, dado
que são fenômenos físicos interligados. Por exemplo, ao colocarmos partículas
carregadas (íons) para movimentar-se em um campo magnético qualquer , elas
provavelmente sofrerão a ação de uma força e irá se mover de uma forma que depende
de sua carga ser positiva ou negativa; se a partícula for neutra, como um nêutron, ou um
corpo sem carga elétrica, esse não sofrerá nenhuma influência desse campo. Um
hidrogênio neutro não sofreria influência resultante de um campo magnético, mas este
pode ser tão intenso, que a força magnética pode sobrepujar a elétrica que há entre um
próton e um elétron e separá-los.
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Os ímãs são conhecidos desde a antiguidade. Os primeiros relatos de experiências
com a magnetita, o ímã natural, são atribuídos aos gregos e datam de 800 a.C. Seu nome
vem do fato de ele ser muito comum na cidade da Magnésia, origem de quase todo o
mineral para aquelas regiões. Mas sua primeira utilidade foi como bússola, inventada
pelos chineses, que descobriram que uma agulha magnetizada sempre apontava
aproximadamente para a direção Norte. As bússolas foram importantes aliadas para os
navegadores do início da era moderna, já que era um instrumento necessário para
saberem com boa precisão em que direção estavam indo. Elas eram cruciais quando não
era possível se orientar pelos astros. Esse minério, cujo nome científico é magnetita, é
um óxido de ferro, formado, aproximadamente, por 31,0% de FeO, e 69,0% de Fe2O3.
Possui a forma hexaoctaédrica (duas pirâmides opostas pelas bases) e é encontrado
comumente em rochas magmáticas, rochas metamórficas, em meteoritos e até diluída em
areia de praia.
Sua forma estrutural faz com que o spin total da molécula não seja igual a zero, esse
efeito se combina com as outras moléculas do mineral, gerando um campo magnético ao seu
redor. Ímãs também podem ser gerados artificialmente a partir da eletricidade, são os
chamados eletroímãs, que podem ser construídos ao passar corrente elétrica através de um
solenóide enrolado numa barra de ferro, aço, níquel ou cobalto. Por dentro do solenóide
forma-se um campo magnético, e o metal toma as características desse campo,
transformando-se num ímã temporário. Ao desligar a corrente, o metal perde sua propriedade
magnética.
Materiais diferentes reagem diferentemente ao magnetismo. Existem os que são
repelidos pelos ímãs, são os materiais diamagnéticos. Um campo magnético faz com que
o movimento dos seus elétrons se altere, gerando um outro campo magnético que se
alinha em direção oposta ao externo, causando a repulsão. Os paramagnéticos são os
materiais que são atraídos pelos imãs. Mas sem a influência do campo, o material
mantém os spins de seus elétrons orientados aleatoriamente. Os efeitos magnéticos
desses são muito pequenos. O que os diferencia dos materiais ferromagnéticos, que são
os elementos do grupo de transição do ferro e sofrem forte atração para onde o campo
magnético é mais intenso.
É importante lembrar que os campos magnéticos possuem pólos opostos,
denominados Norte e Sul que vêm sempre acompanhados um
do outro. Até hoje não foram encontrados monopólos
magnéticos, apesar de terem sido previstos por
algumas teorias. Para se observar facilmente a
forma de um campo magnético, basta colocar pó
de ferro nas proximidades de um ímã, que as
partículas se alinharão com as linhas de campo.
E, através de uma convenção, ficou definido que
essas linhas de campo têm um determinado
sentido e que esse sentido é que as linhas ‘saem’
do norte e ‘entram’ no sul. E o campo é mais intenso
quanto maior for a concentração de linhas numa região do
espaço.
Figura 1: Campo magnético de um ímã
Crédito: Caio Fábio T. Correia
Corpos com propriedades magnéticas interagem entre si, dando origem a forças de
atração ou repulsão. Ao aproximar pólos ‘opostos’, temos uma atração e ao aproximar
pólos semelhantes, ocorre uma repulsão. A origem dos termos Norte e Sul para os pólos
se deve ao fato de que, como a Terra possui um campo magnético em seu exterior, os
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ímãs na superfície estão imersos nesse campo e tendem a se alinhar com ele, quando
podem ter movimento livre, e daí veio a origem da bússola. A ponta que aponta
(aproximadamente) para o Norte acabou recebendo o nome de pólo norte e o pólo sul do
ímã ficou a parte que apontava para o sul geográfico. Acontece que com o entendimento
do magnetismo e a definição das linhas de campo, para definir o campo magnético
terrestre, o pólo sul magnético deveria ficar na direção do pólo Norte geográfico e viceversa, o que gera uma pequena confusão de entendimento.
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A ORIGEM DO CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA
O planeta Terra possui um campo magnético
ao seu redor e o formato desse campo é como se
dentro dele houvesse uma grande barra
magnética, onde o norte magnético estaria
próximo ao pólo sul geográfico e o sul
magnético, próximo ao Norte geográfico.
Porém, seria estranho algum geólogo ou
físico afirmar que existe essa grande barra
magnética em seu núcleo, mesmo que
ninguém possa ir lá ver diretamente. Para
explicar, também se faz necessário conhecer
um pouco da geologia de nosso planeta, é preciso
saber como ele é por dentro.
Figura 2: Esquema do campo magnético terrestre.
Crédito: Caio Fábio T. Correia.
A Terra tem um formato aproximado de uma esfera com raio médio de 6.378 km.
Contando a partir do centro, o núcleo interno chega a ter 1.228 km de raio, o núcleo
externo começa onde termina o interno e vai
distando-se do centro do Planeta até 3.488 km, ou
seja, mais de 54% do diâmetro da Terra é
preenchido pelo Núcleo e 32% de sua massa se
encontra lá. Entre o núcleo externo e o manto existe
uma camada de transição com uma espessura de
190 km e o manto se estende de 3.678 km até 6.338
km de raio, chegando a conter mais de 67% da
massa do planeta inteiro. E finalmente sobram, em
média, 40 km de espessura para a crosta terrestre.
Figura 3: Estrutura da Terra.
Crédito: Enciclopédia do Espaço e do Universo, DK Multimedia
Esses dados foram obtidos indiretamente, através de estudos de como as ondas
sísmicas são alteradas quando passam através dessas estruturas, mas isso não será
abordado aqui. A Terra não é tão sólida quanto parece, a maior parte do planeta possui
uma consistência de fluido. O núcleo é composto por 80% de ferro e 19% de níquel. O
núcleo interno é essencialmente rígido, já o externo possui uma consistência de semifluido e é um bom condutor de eletricidade, nele ocorrem movimentos convectivos, pois
existe uma constante troca de calor entre o núcleo e o manto. As temperaturas no centro
do núcleo podem chegar aos 7.500 Kelvins, mais quente que a superfície do Sol. Já o
manto é mais rico em silício, oxigênio e magnésio.
Vamos nos concentrar no entendimento do núcleo da Terra. Enquanto a Terra gira,
o globo metálico que forma o núcleo gira 2º por ano mais rápido que a superfície da
Terra.. Essa volta extra do núcleo em relação ao resto do planeta pode ajudar a explicar
como a Terra gera seu campo magnético. Ainda, o centro deste dipolo magnético está
deslocado 527 km do centro geográfico da Terra, na direção do Pacífico e tem uma
inclinação de 11,3° em relação ao eixo rotacional de Terra. Mas a chave mesmo,
segundo os cientistas são os movimentos convectivos e a condutividade elétrica do
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núcleo externo. Como a terra gira em um sentido, e o núcleo interno também, porém
mais rápido, a convecção e rotação do núcleo externo se dá nesse mesmo sentido.
Criando assim, um padrão de rotação do ferro líquido que nele se encontra. Se esse
modelo estiver correto, poderá explicar qualitativamente com certa simplicidade, como
o campo magnético do planeta é gerado.
Então, estando o modelo correto, poderia funcionar em laboratório e isso foi
experimentado na Universidade de Maryland, sob supervisão do Prof. Dan Lathrop. A
equipe usou o metal sódio, um forte condutor e com temperatura de fusão próxima à de
ebulição da água, à pressão atmosférica, o que o torna mais fácil de ser manuseado. Eles
usaram 110 kg de sódio líquido dentro de uma esfera de metal e colocaram-na para girar
como a Terra e fizeram medidas do campo magnético gerado por ela própria, tentando
assim, criar um dínamo auto-sustentável. Porém é preciso que primeiro seja induzida
uma corrente elétrica dentro do núcleo de sódio. Sendo necessário apenas um campo
magnético externo.
Eles não têm certeza do que pode ter gerado o campo magnético da Terra, embora
o campo magnético do Sol possa ter induzido tal fenômeno. Se a teoria do dínamo
eletromagnético estiver certa, então o campo gerado pelo núcleo de Sódio deveria ser
mais forte que o campo iniciado pelo ímã, que é o que ocorre na realidade, entre o
campo da Terra e o gerado pelo Sol em suas proximidades, mas até agora isso não foi
registrado por eles. O experimento mostrou, pelo menos, quão crucial é o metal líquido
para o surgimento de um campo magnético no interior do planeta.
Apesar das proporções astronômicas, o campo magnético gerado pelo planeta tem,
em média, uma intensidade de 0,5 oersted na superfície, 20 vezes mais fraco que um ímã
de geladeira.
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VENTO SOLAR E EJEÇÕES DE MASSA CORONAL
Antes de saber como se comporta o campo magnético fora da Terra, é preciso antes
entender como o Sol influencia o Campo Magnético da Terra, através dos ventos solares e das
ejeções de massa coronal.
O vento solar é um fluxo de partículas eletricamente carregadas, formado
principalmente por prótons, elétrons e alguns núcleos de hélio a uma velocidade aproximada
de 600 km/s e com uma densidade média de 1,5 prótons por centímetro cúbico. Este fluxo
tem origem na Coroa Solar. E à medida que deixa o Sol, leva consigo a polaridade do campo
magnético de onde partiu, arrastando as linhas de campo para o espaço, formando o Campo
Magnético Interplanetário (CMI), que nas proximidades do planeta Terra tem uma
intensidade 10.000 vezes menor que o
campo magnético da própria Terra, na
superfície.
A coroa solar é distinguida em três
estruturas principais: A coroa interna que
chega a 1,3 RS (raios solares) a partir da
cromosfera; Coroa intermediária que vai
de 1,3 a 2,5 RS e a Coroa externa de 2,5 a
24 RS. Normalmente, são as coroas
internas e intermediárias que são
possíveis de se ver a olho nu durante os
eclipses totais do Sol.
Figura 4: Estruturas do Sol.
Crédito: Centro de Divulgação Científica e Cultura, USP.
Paradoxalmente, a temperatura dos gases da atmosfera solar aumenta à medida vão se
distanciando de sua superfície de 5.800 °C para alcançar 1 a 2 milhões de graus Celsius na
Coroa. Como a temperatura está associada à velocidade das partículas, a essa temperatura, a
gravidade do Sol não é capaz de conter esse gás, que escapa em todas as direções, dando
origem ao vento solar.
Físicos solares acreditam que os responsáveis
pelo aquecimento da coroa são ondas, instabilidades,
turbulência e a energia liberada na reconexão de
linhas de força do campo magnético do Sol. Mas os
processos que se desenrolam na Coroa Solar não são
bem conhecidos, pois nenhuma sonda chegou mais
perto do Sol que a Hélios, na década de 70, que
mantém o atual recorde de 60 RS de distância à
superfície deste (interior à órbita de Mercúrio, mas
bem longe da coroa solar), onde ocorre a aceleração
do vento solar.
Figura 5: Coroa solar em julho de 1991.
Crédito: Marshall Space Flight Center, NASA
No entanto, existe um projeto de sonda, chamado Solar, que poderá ser lançado em
2014, com objetivo de estudar as origens e diferenças no vento solar em diferentes distâncias
e fases do ciclo magnético de 11 anos do Sol (Ver apêndices). Esta sonda deverá ter uma
órbita que varia da distância de Júpiter ao Sol, até 3 RS de distância da fotosfera solar, que
chamamos de superfície do Sol.
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Segundo David P. Stern (2003), quando o plasma se move dentro de um campo
magnético, o que acontece depende da força relativa entre ambos, se o campo magnético for
forte, então ele domina o que acontece com o plasma, mas quando o campo é fraco, então o
plasma arrasta o campo magnético consigo.
E é esta interação que acontece entre o vento solar e o campo magnético gerado pelo
Sol. Este campo magnético deformado recebe o nome de Campo Magnético Interplanetário
(CMI). Dada a rotação do Sol, de 27 dias para um volta completa, ele gira 13° por dia. Então
um ponto de sua superfície emana partículas em diferentes direções a cada dia. Mas existe
uma lei física que influencia no que ocorre aí: “Se dois ou mais íons iniciam em uma mesma
linha de campo, elas irão sempre compartilhar essa
mesma linha de campo”. Isso faz com que o CMI se
atrase a grandes distâncias, ao tentar acompanhar a
rotação do Sol. A figura 7 ilustra essa interação, Onde
as linhas de campo magnético são vermelhas, as linhas
pretas, são as direções que o vento solar segue e os
números indicam a posição de partículas do vento solar
emanando de um único ponto de sua superfície ao
longo dos dias, iniciando a contagem no momento em
que a primeira partícula saiu de um determinado ponto,
indicado pelo número 1, na figura seis.
Figura 6: O Campo Magnético Interplanetário.
Crédito: Educational Web Sites on Astronomy, Physics, Spaceflight and the Earth's Magnetism
Além do vento solar, o Sol é origem de um evento ainda mais dramático, são as Ejeções
de Massa Coronal, que estão diretamente ligadas às manchas solares (Ver apêndices) e, como
sugere o nome, são emissões de bastante matéria, com elevadíssimas energias, em relação à
média do que é emitido pelo vento solar, vindas da
Coroa Solar.
E, segundo Kepler de Sousa, em Astronomia e
Astrofísica, SP - 2004, elas são constituídas de
bilhões de toneladas de matéria em forma de bolha
e aquecidas pelo campo magnético do Sol, a origem
dessa ejeção ocorre em alguns minutos e tem uma
energia equivalente a milhares de bombas atômicas.
Ao lado, uma foto bastante usada para ilustrar uma
ejeção desse tipo, tirada na região do infravermelho
do espectro eletromagnético. Esse tipo de evento,
quando atinge a Terra, gera grandes e graves
consequências,
sendo,
portanto,
importante
mencionar.
Figura 7: Ejeção de Massa Coronal.
Crédito: Astrnomia e Astrofísica
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4
A INTERAÇÃO COM O VENTO SOLAR
O vento solar é, em sua grande parte, forçado a desviar da Terra, pelo Campo
magnético, que também fica distorcido. Para se ter uma idéia, na direção do Sol, o campo da
Terra se estende, em média, a 10 RT (raios terrestres); no lado oposto ao Sol, a cauda
magnética fica em média a 30 RT, mas pode chegar até 200 RT. Dessa forma, a Lua (que varia
de 56 a 62 RT da superfície) pode ficar imersa momentaneamente no campo magnético da
Terra.
4.1 A Magnetosfera
A magnetosfera é a região que sofre a influência do campo magnético da Terra e é
comumente divida em três regiões básicas: A Magnetosfera Interna, a Camada de Plasma, e
os Lóbulos da Cauda.
A magnetosfera interna se estende da
atmosfera superior a 8 RT (Raios Terrestres) no
lado noturno, englobando os dois cinturões de
radiação, mas não incluindo as regiões sobre os
polos. E têm uma corrente elétrica associada,
chamada de Corrente do anel. Possui densidade
típica de 1 íon/cm3.
Figura 8 – A Magnetosfera da Terra
Crédito: Enciclopédia do Espaço e do Universo, DK Multimedia
A camada de plasma existe numa região onde o campo
magnético é fraco, fica centrada no equador da cauda
magnética, é uma grossa camada de plasma com
espessura de 3 a 7 RT, com densidade de 0,3 a 0,5
íons/cm3 e a energia típica dos íons é de 2 a 5 keV. É
bastante dinâmica, com esses valores variando
grandemente. Esse plasma que flui tem sua própria
corrente elétrica associada, chamada de Corrente
Cauda. Essa corrente que atravessa a cauda magnética
pode ser vista como a origem dos lóbulos da cauda.
Figura 9 – As correntes da camada de plasma
Crédito: Educational Web Sites on Astronomy, Physics, Spaceflight and the Earth's Magnetism
Os lóbulos da cauda se estendem ao longo da cauda magnética da Terra, no lado
noturno, limitada pela camada de plasma, com linhas de campo relativamente suaves até que
convirgam para os polos. A densidade de plasma nessa região é bastante baixa, da ordem de
10-2 íons/cm³. O campo magnético nessa região é relativamente forte, armazenando apreciável
energia magnética, que os estudiosos acreditam ser a fonte das sub-tempestades magnéticas.
Separando a magnetosfera do Campo Magnético Interplanetário, existe uma terceira
corrente elétrica, chamada de Corrente da Magnetopausa. Atente para o fato de que devem
existir mais correntes elétricas nesse sistema, pois para haver correntes elétricas estáveis,
esses circuitos por onde passam correntes devem ser fechados. Mas esses detalhes não são de
suma importância para o entendimento da dinâmica geral do campo magnético da Terra e, por
isso, não serão discutidos aqui.
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4.2 Cinturões de Van Allen
A Terra tem dois cinturões de radiação. O termo “Cinturão de Radiação” é aplicado
geralmente à parte mais energética da população
do plasma preso ao campo magnético, íons com
mais
que
1
MeV
de
energia,
aproximadamente. Na figura 8, o cinturão
interno, que pode variar sua distância de
700 a 10.000 km (0,1 a 1,5 RT) de
altitude, está grifado de verde e o externo,
que pode variar de 13.000 a 65.000 km (2 a
10 RT) de altitude, está grifado de cinza. Note
que a distância de cada cinturão de radiação varia
enormemente de acordo com a latitude sobre a qual
estão as partículas presas a eles.
Figura 10 –Cinturões de radiação e eixos rotacionais e magnéticos
Crédito: Wixipedia
As fontes de partículas dos cinturões de radiação são o Sol e a galáxia, esses íons estão
sendo desviados ou orbitando o planeta, não pelo campo gravitacional, mas pelo seu campo
magnético, que cria órbitas bem diferentes das originadas por campos gravitacionais. As
partículas carregadas que ficam presas à Terra seguem as
linhas de campo magnético, ao mesmo tempo em que
circulam tais linhas centenas de vezes por segundo,
resultando numa trajetória helicoidal, além de um
terceiro movimento de translação ao redor da Terra
em determinado sentido. Na figura 8 está indicado os
sentidos das rotações dos elétrons (Oeste – Leste) e
íons positivos (Leste – Oeste).
Figura 11 – Órbitas magnéticas
Crédito: Educational Web Sites on Astronomy, Physics, Spaceflight and the Earth's Magnetism
Esses movimentos dessas partículas carregadas eletricamente geram correntes elétricas,
que por sua vez, geram outro campo magnético que intensifica ligeiramente o campo
magnético, pelas medições na superfície. Os lugares onde essas correntes fluem ficam nas
linhas de campo nos cinturões de radiação, na magnetosfera interna, são os já mencionados
anéis de Corrente.
“Em típicas linhas de campo, unidas à Terra em ambas as
extremidades, tal movimento conduziria logo as partículas à atmosfera,
aonde colidiriam e perderiam sua energia. Entretanto, uma característica
adicional desse movimento orbital geralmente impede que isto aconteça: o
movimento da partícula retarda à medida que ela se move para as regiões
onde o campo magnético é forte, chegando até a parar e inverter. É como se
as partículas fossem repelidas de tais regiões, um contraste interessante com
o ferro, que é atraído para onde o campo magnético é forte.” (STERN,
2003).
O nome dado aos cinturões de radiação foi uma homenagem ao cientista espacial James
Van Allen, que liderou a equipe da Universidade de Iowa responsável pelo desenho e
construção do primeiro satélite americano lançado com sucesso, o Explorer 1, lançado em 31
de Janeiro de 1958, pela NASA, e que fez as primeiras detecções da radiação espacial. Suas
detecções foram um pouco confusas, por conta do alto índice de radiação, mas que mais tarde
foram esclarecidas pelo Explorer 3 (O lançamento do Explorer 2 falhou), comprovando a
existência do cinturão interno de radiação.
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O Cinturão Interno também foi descoberto independentemente em 1958 pelos
estadunidenses S. Fred Singer (U. de Maryland), Paul Kellogg (U. de Minnesota) e o russo
S.N. Vernov (USSR) e confirmado em 1959, através de experimentos com foguetes levando
filmes fotográficos especiais para detecção de partículas energéticas.
O Cinturão Interno de Radiação é um subproduto da radiação cósmica da galáxia
(prótons e elétrons, principalmente, que bombardeiam a Terra de todas as direções). Embora a
quantidade de energia recebida através desses raios cósmicos seja comparável à energia que
recebemos das estrelas distantes, o cinturão acumula partículas durante anos, proporcionando
uma população permanente de partículas carregadas.
Quando estes raios cósmicos vêm em direção à Terra, sua velocidade é tão alta que o
campo magnético não consegue contê-los, mas quando atingem a atmosfera, se chocam com
núcleos de gases atmosféricos e dão origem a várias partículas, que são absorvidas na
atmosfera, no chão, ou tomam rumo para longe da Terra.
Dentre estas partículas que podem surgir das colisões
está o nêutron, que não interage com campos magnéticos, mas
que, quando não está num átomo, decai, em média, em 10
minutos, num próton, um elétron e um neutrino. Este novo
próton livre que vai na direção do espaço, dependendo da
energia que possui, pode ser preso pelo campo magnético. A
figura 9 esquematiza esta que é a teoria mais aceita acerca da
reposição de partículas no cinturão interno de Van Allen.
Figura 12 – Origem do cinturão interno
Crédito: Educational Web Sites on Astronomy, Physics, Spaceflight and the Earth's Magnetism
O Cinturão Interno de Radiação ocupa uma região compacta sobre o equador, tem uma
baixa densidade, mas suas partículas têm elevada energia, da escala de 10 a 100 meV, que
podem penetrar e danificar naves ou apresentar perigo para astronautas, em exposição
prolongada.
O Cinturão Externo de Van Allen foi descoberto pelas sondas espaciais Pioneer 3 e 4,
lançadas, respectivamente, em dezembro de 1958 e março de 1959. A Pioneer 3 não alcançou
seu objetivo em comum com a sonda nº. 4, que era de alcançar a Lua, devido uma falha e
alcançou 102.320 km de altitude, retornando à Terra para queimar na atmosfera. Mas ambas
detectaram esse segundo cinturão de radiação. A Pioneer 4, após passar pela Lua ficou
orbitando diretamente o Sol.
Provavelmente, seus elétrons (com típica energia de 50 keV) vêm do vento solar e
estavam na longa cauda magnética da Terra, com suas linhas esticadas no lado noturno da
magnetosfera e foram capturados no momento em que ocorreu uma tempestade magnética.
Note que os dois cinturões de radiação requerem situações bem específicas para serem
alimentados por novas partículas, mas que estes eventos ocorrem com certa freqüência,
impedindo um déficit de partículas em grande quantidade ou a longos prazos.
15
4.3 Tempestades Magnéticas
O termo Tempestade Magnética (TM) diz respeito a perturbações no campo magnético
global da Terra e foi cunhado pelo naturalista Alexander Von Humboldt (1769-1859). As
tempestades magnéticas podem ser detectadas através da medição do campo magnético na
superfície, através de magnetogramas (cujos dados podem ser encontrados facilmente na
internet).
A assinatura típica de uma TM é um campo magnético com sentido sul, que enfraquece
o campo norte observado próximo ao equador da Terra, sugerindo que sua origem é a corrente
de anel que circula a Terra. Durante essas TM, o cinturão externo de radiação fica muito mais
intenso, sendo reforçado por prótons vindos da cauda magnética e uma pequena porcentagem
de íons de oxigênio vindos da atmosfera superior.
Na monitoração do campo magnético, os observadores introduziram um “índice Dst” (D
de distúrbio e “st” para “storm”, que significa tempestade) que dá uma idéia da intensidade da
corrente do anel. Dessa forma, se definiu uma tempestade magnética como qualquer intervalo
de tempo onde o Índice Dst for menor que -20 nT.
Figura 13 – Índice Dst previsto e observado
Crédito: British Antarctic Survey
A figura 13 é um gráfico do índice Dst em função do tempo e retrata como se
comportou tal índice durante os dias 03 a 09 de março de 2007. A linha azul indica o índice
previsto a partir do dia 03 e a linha preta, o índice observado. Um dos usos dessa previsão é a
predição de futuros riscos para satélites ou para lançamento de astronautas.
As TM surgem repentinamente, quando ocorre um choque com uma ejeção de massa
coronal, injetando muitos íons e elétrons energéticos nos anéis de corrente. Mas também
podem surgir de uma série de intensas sub-tempestades magnéticas, que acontecem a todo o
momento, sem precisar de muito estímulo externo. Durante tempos de CMI sul, que se
relacionam com o ciclo magnético do Sol (ver apêndices), a cauda magnética fica beirando a
instabilidade. No entanto, um choque forte que vem com um CMI norte pode agitar a
magnetosfera, mas dificilmente ao ponto de criar uma tempestade.
16
4.4 As Auroras
“Ali, a pelo menos 100 km da superfície, elétrons chocam-se com
átomos de oxigênio e nitrogênio das moléculas da alta atmosfera, dando-lhes
uma energia extra que, absorvida,
provoca um estado excitado: os
elétrons saltam para níveis mais
energéticos e, como não podem
manter-se nesse estado por muito
tempo, retornam aos seus níveis de
origem devolvendo a energia extra na
forma de um fóton - ou um pulso de
luz. Trilhões de átomos e moléculas
no estado excitado produzirão a luz
da aurora.” (COSTA, 2001)
Essa é uma descrição de uma típica aurora. Mas as
origens delas estão fortemente ligadas às Tempestades
Magnéticas, pois estas aumentam drasticamente a
quantidade de íons e elétrons energéticos na
magnetosfera, que na região acima dos polos não tem
força suficiente para repeli-los de volta para o cinturão
de radiação. Então ocorre o choque dessas partículas
com as da atmosfera, dispersando energia e ficando por
ali mesmo.
Figura 14 – Escala atmosférica com altitude das Auroras.
Crédito: Caio Fábio T. Correia.
As regiões onde tipicamente ocorrem as auroras são denominadas de Oval das Auroras,
ou Annulus, elas ficam situadas próximos aos pólos geográficos da Terra. Se forem auroras no
hemisfério norte, elas são chamadas de Auroras Boreais ou Luzes do Norte; Se as auroras são
no hemisfério Sul, elas recebem o nome de Auroras Austrais.
Mas podem ocorrer tempestades magnéticas
suficientemente fortes, caso a Terra seja atingida em
cheio por uma Ejeção de Massa Coronal forte e com
CMI sul. Tornando possível a observação de auroras
mesmo nas proximidades do equador, devido às
energias das muitas partículas que podem atravessar
incólumes o campo magnético da Terra ou gerar anéis
de corrente extras que levem tais partículas a se chocar
com a atmosfera nessas baixas latitudes.
Ao lado, uma composição de imagens da Terra e
uma aurora boreal vista do espaço, capturada pelo
satélite IMAGE em 11 de setembro de 2005.
Figura 15 – Aurora austral vista do espaço.
Crédito: Earth Observatory, NASA
17
5
EQUILÍBRIO DO CAMPO DE ORIGEM INTERNA
Não é possível ter certeza do que pode gerar o campo magnético da Terra, embora
os experimentos e a observação indiquem que é primordial que haja um núcleo metálico
fundido em rotação. Mas não é somente isso, é preciso procurar saber se o campo
realmente se comportou de forma estável durante sua existência.
Os mais antigos registros magnéticos na Terra têm 2 bilhões de anos, tornando
essa, a idade mínima do campo magnético. Esse campo durou tanto tempo porque,
devido sua enorme reserva de átomos radiativos, nosso planeta teve disponível bastante
energia provida pelos átomos radiativos, que impediram o núcleo e manto de resfriarem,
quando estes estavam se formando. Atualmente, o núcleo da Terra resfria lentamente a
uma taxa de 100º para cada bilhão de anos. Eventualmente, o ferro irá se fundir, mas os
cientistas calculam que levará bilhões de anos, ainda.
5.1 Potes de barro e o histórico de quatro séculos
Graças à construção de potes de Barro, temos à disposição um registro quase contínuo
de como o campo magnético se comportou, em termos de intensidade, nos últimos 12 mil
anos. A Argila, matéria-prima dos potes de barro, contém metais magnéticos que se alinham
com o campo magnético exterior. Após chegar a forma desejada, eles são torrados. O que
ocorre é que a altas temperaturas, o magnetismo perde força, fazendo com que todo registro
magnético anterior seja eliminado. Mas durante o resfriamento dos potes, antes destes
endurecerem por completo, os metais interiores captam o magnetismo exterior naquele
momento, indicando a intensidade do campo magnético terrestre no momento em que foi
produzido. O professor de geofísica, John Shaw, da Universidade de Liverpool estudou 3.243
desses potes de barro, vindos da Europa e da Ásia, juntamente com uma equipe e conseguiu
os seguintes resultados:
Mudanças suaves na intensidade do campo magnético da Terra ocorreram durante esses
12 mil anos, um suave aclive, então uma rápida queda à medida que chegamos aos dias atuais.
A velocidade da mudança é maior nos últimos três séculos: o campo enfraqueceu 10% e a
velocidade de declínio está aumentando. Para se ter uma idéia, se o campo continuar a
decrescer à mesma taxa que se encontra atualmente, ele deverá desaparecer em alguns poucos
séculos.
Atualmente, Existem evidências claras de
anomalias magnéticas na Terra, e essas
anomalias estão crescendo, como a que
chamamos da "Anomalia do Atlântico
Sul", onde o campo é 30% mais fraco. As
cores mais avermelhadas representam
campos mais intensos que as partes
esbranquiçadas na figura 16.
Figura 16: Intensidade total do campo magnético em 1990.
Crédito: USGS, National Geomagnetism Program
Indo mais a fundo, pode-se ter um registro não somente de como sua intensidade variou
nos últimos 400 anos, mas também sua direção em vários lugares diferentes da Terra. Isto,
graças aos navegadores, que precisavam anotar as direções do campo magnético, sob o risco
de se perderem no mar durante uma tempestade ou sob o mau tempo, quando não era possível
determinar as coordenadas através de medições astronômicas, dando origem a um grande
catálogo de observações magnéticas.
18
Dois grandes grupos de pesquisadores compilaram essas observações para fazer um
modelo da evolução do campo magnético em função do tempo. O modelo ufm2 criado por
Bloxham & Jackson em 1992 e o grupo mais recente, formado por Andrew Jackson, Art R. T.
Jonkers e Matthew R. Walker, que criou o modelo chamado gufm1, em 2.000.
Este último simula o comportamento do campo magnético da Terra dos anos de 1590 a
1990. O modelo se baseia em 365.694 observações (com 26.893 dados rejeitados) colhidas na
Grã Bretanha, França, Nova Zelândia, Dinamarca, Espanha. Os aspectos dos dados usados da
compilação, bem como a metodologia aplicada ao uso dos dados, as fontes, mensurações e
correções de erros são descritos em um artigo do ano 2.000 para a Phil. Trans. R. Soc.
London, chamado “Four centuries of geomagnetic secular variation from historical records”
(Quatro séculos de variação geomagnética secular a partir de registros históricos, traduzindo
para o português).
Foi feito todo um estudo dos erros de observação da posição geográfica, através dos
métodos usados pela obtenção de dados em função da época e uma série de considerações das
propriedades físicas do planeta. E usados vários teoremas na área de eletromagnetismo para
haver dados suficientes para a geração desse modelo, que é o maior e de maior resolução
disponível atualmente.
Abaixo, os mapas para o campo magnético dos anos de: (a) 1590, (b) 1690, (c) 1790, (d)
1890 e (e) 1990. As cores azuis representam fluxo entrando no núcleo, e vermelho, fluxo
saindo. Embaixo das figuras, pode ser vista a escala das intensidades.
Figura 17: Evolução do campo magnético através dos séculos.
Crédito: Andrew Jackson, Art R. T. Jonkers e Matthew R. Walker
19
5.2 Paleomagnetismo e inversões de campo
“Paleontologia é uma ciência que interage com a biologia e a
geologia. É o estudo dos fósseis, ou seja, restos de seres vivos ou vestígios de
vida de organismos que existiram durante a história da vida na Terra, e que se
encontram preservados no registro geológico, ou seja, rochas, sedimentos,
gelo ou âmbar.” (Contribuidores da Wikipédia, 2007).
Com o advento da Paleontologia, foi criado o paleomagnetismo, que estuda as
variações do campo magnético ao longo das eras da Terra. Os cientistas que trabalham nessa
área descobriram que ocorreram várias inversões de polaridades no campo magnético.
As evidências de inversão podem ser
encontradas nas camadas criadas pelos fluxos de
lava em vulcões ativos ao longo das eras e em
afloramentos de lava, entre placas continentais que
se afastam, nos fundos dos oceanos, por exemplo, a
“falha” que há no Oceano Atlântico. A figura ao
lado representa tais afloramentos nos oceanos. Na
situação “a”, o campo magnético está com
polaridade normal e se afastando. Entre “a” e “b” o
campo reverteu e voltou sua polaridade, o que
ocorre novamente na situação “c”.
Figura 18: Afloramentos de lava nos oceanos.
Crédito: USGS, National Geomagnetism Program
Segundo as estimativas, em média nos últimos milhões de anos, o
campo tem invertido de polaridade a cada 200.000 anos, com algumas
variações. Mas o planeta se encontra com a polaridade atual por cerca
de 780.000 anos, uma flutuação grande na média, embora os estudiosos
não possam garantir se as inversões de campo têm de ter um ritmo
definido ou apresentar comportamento caótico.
Esse gráfico ao lado representa as polaridades do campo
magnético ao longo dos milhões de anos, mostrando as eras geológicas.
Períodos em cor marrom representam períodos com polaridade igual à
atual, e na cor azul, períodos com polaridade oposta.
Vemos que durante o período Quartenário, que vai de 140 a 65
milhões de anos atrás, (até onde se sabe) o campo magnético passou
um gigantesco período com a mesma polaridade, quase 40 milhões de
anos. No período Terciário, as inversões foram se tornando cada vez
mais frequentes e em períodos cada vez mais regulares, continuando
esse ritmo no período quartenário, que é a era em que estamos vivendo.
Dessa forma, inversões de campo magnético parecem ser mais
uma realidade a qual precisamos entender melhor, que uma hipótese
fictícia.
Figura 19: Linha do tempo das inversões de campo.
Crédito: WGBH/NOVA
20
5.3 O processo e consequências
Uma boa maneira de descobrir como se comporta o campo magnético da Terra durante
uma inversão de campo, é registrando as direções e intensidades do campo magnético ao
longo do processo. E foi isso que aconteceu nas Montanhas Steens, no Oregon a 16 milhões
de anos, quase que continuamente, registrando todo um processo de inversão.
O registro magnético gerado elas erupções de lava têm uma vantagem com relação aos
potes de Barro, pois nas erupções, a lava que solidifica, permanece na mesma direção relativa
aos polos, podendo nos indicar, além da intensidade, a direção do campo magnético resultante
naquele lugar.
Cada linha das montanhas delineia um derramamento diferente de lava, com mais de
910 m de altura em linhas sobrepostas. Quem estudou essas montanhas foi o geólogo Rob
Coe (Universidade da Califórnia, Santa Cruz) e sua equipe. Pegando dezenas de amostras, ele
e seus colegas fizeram um detalhado registro da inversão magnética.
Eles encontraram que o campo decresceu cerca de 80 a 90%. O campo inicialmente
apontava para o Sul, mas à medida que enfraquecia, o campo mudava de posição vacilante.
Após 300 anos, ele deu uma volta de 180º e o campo passou a recuperar sua força, não
durando muito tempo e voltou a se inverter, diminuído a intensidade novamente. Mais uma
vez, o campo magnético pareceu sumir por 3.000 anos. Voltando depois com sua dança até se
estabilizar no pólo inverso ao inicial, apontando para o Norte.
Além das evidências colhidas por Rob Coe, outro interessado na área, o físico Gary
Glatzmaier resolver estudar o fenômeno através da simulação. Ele pôs todos os fatos
essenciais que os cientistas aprenderam sobre o núcleo fundido da Terra num modelo de
computador; dúzias de equações descrevendo os tamanhos, temperatura, viscosidade e etc. E
deixou o modelo rodando para ver como o campo poderia se comportar por milhares de anos
de tempo simulado. O que duraria 6 meses nos mais rápidos computadores do mundo (da
época).
Ele estava usando supercomputadores da NASA e da National Science Foundation e
verificava se os computadores não estavam com problemas todos os dias, durante 4 anos. E
após um período, quando ele foi analisar os detalhes do campo magnético, inesperadamente
ele viu que este tinha invertido a polarização. E viu que depois de
certo tempo, o campo tinha se invertido novamente e
espontaneamente. E à medida que o experimento continuava o
campo se invertia a cada, aproximadamente, 100 mil anos de tempo
simulado e sempre recomeçava da mesma maneira.
Gary pôde ver porque inversões são precedidas pelo
enfraquecimento do campo. Na simulação, durante o processo de
inversão, começam a surgir ilhas de Norte no Sul e vice-versa. São
as anomalias magnéticas, regiões do núcleo, onde o campo flui no
sentido inverso das regiões circundantes. À medida que as
anomalias crescem, começam a cancelar o resto do campo,
tornando-o fraco e mais propenso a inverter. Então o campo vai
ficando cada vez mais complicado até que se estabiliza após a
inversão.
Figura 20: Simulação de uma inversão de campo.
Crédito: WGBH/NOVA
21
A figura 20 representa momentos da simulação separadas por 3 mil anos. Vermelho
representa linhas saindo, e azul entrando na superfície da Terra.
A principal preocupação é que durante esse processo, o planeta inteiro ficará apenas
com um débil campo, que não fornecerá nenhuma proteção contra a radiação vinda do Sol e
da galáxia.
Segundo as estimativas dos estudiosos no assunto, o nível de radiação ao nível do solo
deverá dobrar, aumentando as mortes por câncer em 15 pessoas por milhão, resultando num
total de mais de 100.000 mortes por ano a mais, não sendo, de certa forma, catastrófico. Mas
nenhum de nós estará vivo para observar tal fenômeno e provavelmente a civilização terá
meios para amenizar tais efeitos negativos.
Com o acesso direto do vento solar à atmosfera, esta se tornará mais eletrizada, fazendo
com que se expanda e acelere a queda dos satélites de baixa altitude. Auroras deverão ser
comuns em todas as latitudes do planeta, devido à multiplicidade de polos e da fraca
intensidade destes, proporcionando-nos, talvez, um belo espetáculo. Além disso, o pouco
tempo (em termos astronômicos) de exposição da atmosfera à erosão do vento solar não trará
perdas significativas desse envoltório de gás do planeta.
22
REFERÊNCIAS
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secular variation from historical records, Phil. Trans. R. Soc. London, p. 957-990, 2000.
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23
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Online Unit Converter Pro. Conversion Factors. Disponível em
< http://online.unitconverterpro.com/conversion-tables/convert-alpha/factors.php> Acesso em
18 mar. 2007
24
APÊNDICE A
TABELAS DE ALGUMAS UNIDADES ÚTEIS
UNIDADES INTERNACIONAIS DO ELETROMAGNETISMO
GRANDEZA
NOME DA UNIDADE
SÍMBOLO
Intensidade do campo magnético
Ampère por metro
A/m
Fluxo magnético
Weber
Wb
V.s
Densidade de fluxo magnético
Tesla
T
Wb/m2
OUTRAS UNIDADES
Energia
Elétron-volt
eV
FATORES DE CONVERSÃO
INTENSIDADE DO CAMPO MAGNÉTICO
1 A/m
= 0,012568444 Oersted
1 Oersted
= 79.57747151 A/m
DENSIDADE DE FLUXO MAGNÉTICO
1 Tesla
= 104 Gauss
1 Gauss
= 1 linha/cm2
FLUXO MAGNÉTICO
1 Weber
= 108 Maxuell
25
APÊNDICE B
UM RESUMO SOBRE OS CAMPOS DE OUTROS ASTROS
A.1 O Sol
O campo magnético gerado pelo Sol foi detectado pela primeira vez por George
Ellery Hale (1868-1938), através de um espectrógrafo de alta dispersão. Ele descobriu
que as linhas de absorção espectrais do Sol, nas proximidades das manchas solares eram
duplas e até mesmo triplas. Essas linhas de absorção no espectro do Sol existem porque
os átomos de um gás incandescente, fonte de luz, absorvem determinados comprimentos
de ondas, através de seus elétrons. E quando estes estão sujeitos a um forte campo
magnético, geram essas linhas duplas e triplas. Nesse caso, a fonte emissora era uma
mancha solar. Hale pôde calcular que o campo nessa região chega a 5000 Gauss e ainda
conseguiu provar que o campo magnético geral, originado pelo Sol é da ordem de 1 a 2
Gauss.
O direcionamento desse campo magnético está dirigido de norte para sul, no Sol.
Porém, nas regiões onde se encontram os campos magnéticos intensos (1000 Gauss),
estes estão dispostos, no sentido leste-oeste. O estado de plasma, em que se encontra a
matéria Solar, oferece pouca resistência à corrente elétrica o que faz com que toda a
estrela se comporte como uma forte bobina elétrica.
Com isso, a rotação diferenciada acaba deformando essas linhas de campo, que
sofrem um processo de condensação, até cada grupo assumir a forma espiralada. Daí,
formam-se espirais ao longo de todos os
meridianos e todas no sentido leste-oeste
(sentido de rotação). A concentração
dessas linhas, por unidades de área
aumenta, o que equivale a uma maior
intensidade dos campos magnéticos em
relação à situação inicial, e como a
rotação não é uniforme, cada espiral pode
ser esticada até formar um laço. Em certos
momentos os laços se rompem e afloram
na superfície. Nesse momento temos a
formação das manchas solares. Essa
descrição, no entanto, é bastante simples,
com relação à complexidade desses
processos, que geram laços e manchas
solares,
com
uma
enorme
imprevisibilidade e complexidade.
Figura 21: mancha solar em UV Extremo
Crédito: SolarCISM
Como a intensidade dos campos magnéticos nessas regiões é muito forte, algumas
partículas do plasma da superfície do Sol que seriam emanadas em forma de vento solar
ficam aprisionadas nas linhas de campo dessas manchas, tornando fácil de visualizar tais
linhas de campo, como acima, na figura 21.
Na metade do século XIX, os estudiosos já sabiam da existência de um ciclo de
máximos e mínimos das quantidades de manchas solares que dura cerca de 11 anos. Em
1914, George Hale Anunciou que essas manchas estavam diretamente ligadas ao
magnetismo solar, através da alternância de polaridade do Sol, ou seja, o Sol passa
pouco mais de 11 anos com suas linhas de campo numa direção. Sendo assim, o ciclo
completo do Sol, deve ser de 22 anos, o tempo para que ele volte a ficar num mesmo
estado de evolução de seu campo.
26
Depois que ocorre uma inversão de campo, o Sol tem um estado bem estável e
uniforme, mas devido à convecção em seu interior e sua rotação diferenciada, a
velocidade com que o gás gira no equador do Sol é maior. E, como é constatado, as
linhas de força do campo magnético se comportam como se estivessem ligadas às
partículas que o compõem e acompanham o fluxo de matéria, se distorcendo cada vez
mais, principalmente nos meridianos, a uma latitude de aproximadamente 30°.
Nessas latitudes, essa distorção ocorre principalmente na forma de laços, onde a
intensidade do campo é bastante intensa, o que pode afetar a densidade do gás naquela
região, dentro do Sol e estas começam a expulsar os gases solares do seu interior, não
deixando essa parte do gás voltar. Alguma parte é expelida de sua superfície, na forma
de arcos, criando as chamadas erupções solares e a que fica na superfície encontra
dificuldades geradas pelo intenso campo magnético para continuar seu movimento
convectivo, o que faz com que essas áreas fiquem com uma temperatura menor que a do
resto da superfície
solar,
cerca de
4000°
C.
A
superfície do Sol,
normalmente
se
mantém a cerca de
5800 a 6000° C.
Figura 22: Evolução das linhas de campo na superfície solar
Crédito: Revista Ciência hoje
À medida que os anos se passam, as linhas de campo vão ficando cada vez mais
intricadas, resultando na aparição de várias manchas, que começam a surgir também
cada vez mais perto do equador solar. Tornando o campo magnético cada vez mais
fraco, possibilitando a inversão de pólos, onze anos após o fim da inversão anterior, e
durante o máximo de atividade, o campo magnético está aproximadamente perpendicular
ao eixo de rotação solar. No entanto, todo esse processo é demasiado complicado e
ainda não existe uma teoria magneto-hidro-dinâmica suficientemente elaborada para
explicar todos esses processos.
27
3.2 Mercúrio
O planeta mais próximo do Sol tem cerca de um terço do diâmetro da Terra e gira
vagarosamente, demorando 58,6 dias terrestres para dar uma volta em seu próprio eixo.
Hoje em dia, ainda se sabe muito pouco a respeito desse planeta, pois foi visitado apenas
três vezes por uma mesma sonda, a Mariner 10 em 1974 e 1975, até que seja estudado
novamente pela sonda MESSENGER a partir de 2008, e que deverá ficar em órbita do
pequeno planeta a partir de 2011, para que este seja estudado mais detalhadamente. Os
melhores dados físicos disponíveis desse planeta vêm da Mariner 10, como sua massa e
densidade, pois os grandes telescópios, podem tirar poucas informações dele, já que
Mercúrio nunca aparece muito distante do Sol, só sendo possível observá-lo, da
superfície terrestre, próximo ao horizonte, com a atmosfera causando grandes
distorções; em órbita da Terra, o Hubble tem instrumentos delicados demais para
apontar numa direção próxima ao Sol, ou mesmo da Terra.
Superficialmente, Mercúrio pode facilmente lembrar a Lua, devido ao grande
número de crateras e falta atividade geológica visível em sua superfície. Mas em
compensação, ele é muito denso, com média de 5,43 g/cm3 ,
perdendo apenas para e Terra em todo o Sistema Solar,
que tem 5,51 g/cm3 . Levando em conta seu tamanho,
isso implica que ele deve ter um núcleo que
compreende maior parte de seu volume. Estimase que o núcleo de ferro varia entre os 1800 e os
1900 km de raio. A camada exterior de sílica
(análoga ao manto e crosta da Terra) tem
apenas entre 500 e 600 km de espessura. Pelo
menos uma parte do núcleo deve estar
derretido, já que o Planeta apresenta uma
pequena atividade magnética. A não ser que
as rochas tenham se magnetizado fortemente.
Figura 23: Estrutura interna estimada de Mercúrio
Crédito: Enciclopédia do Espaço e do Universo, DK Multimedia
Essa atividade magnética, como foi detectada pela Mariner, indica que o planeta
apresenta um campo magnético com uma intensidade de cerca de 1% (220 nT) do campo
terrestre. Como a atividade solar, nas proximidades da órbita de Mercúrio é bem mais
intensa, o campo magnético deste sofre uma intensa distorção pelo vento solar.
A Mariner 10 detectou uma onda
de choque, onde o campo magnético
se encontra com o vento solar. Com a
intensidade do campo magnético
medido pela Mariner 10 e a do vento
solar por volta da distância em que
Mercúrio se encontra do Sol, os
pesquisadores da NASA fizeram uma
ilustração de como deve se comportar
tal
campo
magnético,
se
as
intensidades medidas forem as
apresentadas pelo planeta usualmente.
Figura 24: Distorção do campo Magnético de Mercúrio
Crédito: Windows to the Universe, UCAR
28
3.3 Vênus
O planeta irmão da Terra possui diâmetro de quase 95% do diâmetro de nosso
planeta, as proporções de elementos químicos também são semelhantes. Este se encontra
a uma distância de aprox. 72% da distância média da Terra ao Sol. Mas as semelhanças
param por aí, A rotação de Vênus é lentíssima, dura 243 dias terrestres e ainda por cima
se dá no sentido contrário ao da translação. Dadas tais semelhanças físicas, os
astrofísicos têm algumas evidências de interação gravitacional para achar que o planeta
apresente núcleo e manto semelhantes às estruturas terrestres, além de fotografias que
evidenciam atividade vulcânica.
Mas não foi detectado um campo magnético intrínseco no planeta, ou seja, um
campo magnético global, apenas algumas perturbações detectadas pelas sondas que o
visitaram. Ao todo foram 25 sondas que o visitaram, sendo sete sondas norte-americanas
e 18 russas. A Mariner 10, que também visitou este planeta, detectou um campo com
intensidade cerca de 0,05% do que o que encontramos aqui.
O campo magnético gerado pelo Sol se sobrepõe ao deste planeta, o que faz com
que este fique sem resistência ao vento solar. As partículas do vento solar, em sua
maioria prótons, elétrons e alguns núcleos de Hélio a altas velocidades atingem
diretamente a atmosfera superior de
Vênus, desta forma as partículas da
atmosfera adquirem velocidades
superiores à da velocidade de escape
do planeta e rapidamente tomam a
direção do vento solar que é para o
exterior do Sistema solar.
Aqui
está
explicado
rapidamente
uma
das
graves
conseqüências de um planeta não ter
um campo magnético no ambiente do
sistema solar. Ao lado, uma
ilustração divulgada pela ESA de
como devem se comportar as
partículas
da
alta
atmosfera
Venusiana.
Figura 25: Ação do vento solar na atmosfera Venusiana
Crédito: ESA, European Space Agency
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3.4 Marte
O Planeta Vermelho se encontra mais distante do Sol que a Terra e possui cerca
metade do diâmetro deste, e uma rotação de aproximadamente 24h 42min. É o planeta
mais visado para receber sondas, no total foram 40 tentativas e 18 sucessos, começando
com os russos em 1960, mas o primeiro sucesso só veio em 1964, com a sonda
americana Mariner 4.
Usando dados da Mars Global Surveyor, tem-se um
cenário em que o planeta deve ter um núcleo de 1.700
km de raio, um manto rochoso derretido uma crosta que
varia de 35 a 80 km de espessura, sua baixa densidade
indica que seu núcleo deve possuir uma maior
concentração de enxofre no núcleo.
Entretanto, pela mesma sonda, não foi detectado
nenhum campo intrínseco ao planeta, apenas algumas
áreas onde há magnetismo.
Figura 26: Estrutura interna de Marte
Crédito: Enciclopédia do Espaço e do Universo, DK Multimedia
Figura 27: Mapa geomagnético de Marte
Crédito: NASA / JPL
Fazendo datação da superfície pelo número de crateras, é possível dizer que as
bacias Hellas e Argyre, formadas por impacto de um gigantesco corpo têm idades de, no
mínimo, 4 bilhões de anos. Vendo o mapa, podemos ver que essa região não está
magnetizada, o que indica que quando esta cratera se formou, o planeta já não possuía
um campo magnético global.
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3.5 Os planetas gasosos
Os planetas gasosos Júpiter e Saturno têm praticamente a mesma composição
química do Sol e da nebulosa que deu origem ao nosso sistema solar; já Urano e Netuno
têm menos H e He. Pelas medidas atmosféricas da sonda Galileo, em Júpiter, este é
composto de 86% de Hidrogênio, 14% de Hélio e 0,2% de outros elementos. Assim
como o Sol, eles não têm superfícies sólidas, apenas sua massa vai ficando mais densa e
quente, à medida que se encontra mais perto do seu centro.
Júpiter foi visitado pelas sondas Pioneer 10, em 1973; e
mais tarde pela Pioneer 11, pela Voyager 1, 2 e pela Ulisses.
A sonda Galileu orbitou Júpiter durante 8 anos,
terminando em Setembro de 2003. Usando os dados
gravitacionais e químicos, os astrofísicos deduzem que
este planeta possui um núcleo rochoso, com massa de
10 a 15 vezes a massa total da Terra. A maior parte da
massa desse planeta deve se encontrar no Manto
Interno, onde o hidrogênio está sob pressão superior a
4 milhões de bars e se encontra num estado metálico,
onde prótons e elétrons estão ionizados.
Figura 28: Estrutura interna de Júpiter
Crédito: Enciclopédia do Espaço e do Universo, DK Multimedia
No manto exterior, o hidrogênio se encontra em estado líquido, se tornando um
bom condutor elétrico e , devido aos movimentos diferenciados da rápida rotação do
planeta, sendo a fonte do campo magnético de Júpiter. Em saturno, ocorre situação
similar.
Urano (como Netuno) é em muitas maneiras similares aos núcleos de Júpiter e
Saturno, sem o invólucro líquido de hidrogênio metálico. Parece que Urano não tem um
núcleo rochoso como Júpiter e Saturno, mas sim um material mais ou menos distribuído
uniformemente.
O campo magnético de Júpiter só é menos intenso que o do Sol. A cauda de seu
campo se estende além da órbita de Saturno, devido à distorção causada pelo vento
solar. Os campos destes não serão abordados com detalhes aqui, pois não têm muita
semelhança em sua origem com os campos gerados pelos planetas telúricos (Mercúrio,
Vênus, Terra e Marte.).