Uma densa camada de moléculas e partículas eletricamente carregadas, chamada de ionosfera, paira na atmosfera superior da Terra começando a cerca de 35 milhas (60 quilômetros) acima da superfície do planeta e se estendendo além de 620 milhas (1.000 km). 

Esta imagem, tirada da Estação Espacial Internacional, mostra a aurora colorida e brilhante da Terra ao lado de luzes vindas das cidades da superfície do nosso planeta lá embaixo. Quando partículas eletricamente carregadas do sol interagem com gases na ionosfera da Terra, elas criam exibições visuais chamadas auroras. Crédito da imagem: Estação Espacial Internacional / Twitter

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A radiação solar vinda de cima espalha partículas suspensas na camada atmosférica. Os sinais de rádio vindos de baixo são refletidos na ionosfera e volta aos instrumentos no solo. Onde a ionosfera se sobrepõe a campos magnéticos, o céu irrompe em exibições de luz brilhante que são incríveis de se ver.

Onde está a ionosfera?

Várias camadas distintas constituem a atmosfera da Terra, incluindo a mesosfera, que começa a 31 milhas (50 km) para cima, e a termosfera, que começa a 53 milhas (85 km) para cima. A ionosfera consiste em três seções dentro da mesosfera e termosfera, rotuladas como as camadas D, E e F, de acordo com o UCAR Center for Science Education.

A radiação ultravioleta extrema e os raios X do sol bombardeiam essas regiões superiores da atmosfera, atingindo os átomos e moléculas mantidos dentro dessas camadas. Essa radiação poderosa desaloja elétrons carregados negativamente das partículas, alterando a carga elétrica dessas partículas. A nuvem resultante de elétrons livres e partículas carregadas, chamadas íons, deu origem ao nome da "ionosfera". O gás ionizado, ou plasma, se mistura com a atmosfera neutra, mais densa.

A concentração de íons na ionosfera varia com a quantidade de radiação solar que atinge a Terra. A ionosfera fica mais densa com partículas carregadas durante o dia, mas essa densidade diminui à noite à medida que as partículas carregadas se recombinam com os elétrons deslocados. Camadas inteiras da ionosfera aparecem e desaparecem durante este ciclo diário, de acordo com a NASA. A radiação solar também flutua ao longo de um período de 11 anos, o que significa que o sol pode emitir mais ou menos radiação dependendo do ano.

As explosões solares e rajadas de vento solar provocam mudanças repentinas na ionosfera, unindo-se a ventos de grande altitude e sistemas de clima severo se formando na Terra abaixo.

A ionosfera da Terra, uma região de partículas carregadas, se estende até a fronteira entre a Terra e o espaço. Crédito da imagem: ICON / NASA

Iluminando os céus

A superfície escaldante do sol expulsa correntes de partículas altamente carregadas, e essas correntes são conhecidas como vento solar. De acordo com o Marshall Space Flight Center da NASA, o vento solar voa pelo espaço a cerca de 25 milhas (40 km) por segundo. Ao atingir o campo magnético da Terra e a ionosfera abaixo, os ventos solares desencadeiam uma reação química colorida no céu noturno chamada aurora.

Quando os ventos solares açoitam a Terra, o planeta permanece protegido por seu campo magnético, também conhecido como magnetosfera. Gerada pela agitação do ferro derretido no núcleo da Terra, a magnetosfera envia radiação solar que corre em direção a qualquer um dos pólos. Lá, as partículas carregadas colidem com produtos químicos girando na ionosfera, gerando as auroras fascinantes.

Os cientistas descobriram que o próprio campo magnético do sol esmaga o mais fraco da Terra, deslocando as auroras em direção ao lado noturno do planeta, conforme relatado pela Popular Mechanics.

Perto dos círculos árticos e antárticos, auroras cruzam o céu todas as noites, de acordo com a National Geographic. As cortinas coloridas de luz, conhecidas como aurora borealis e aurora australis, respectivamente, estão suspensas cerca de 620 milhas (1.000 km) acima da superfície da Terra. As auroras brilham em verde-amarelo quando os íons atingem as partículas de oxigênio na ionosfera inferior. A luz avermelhada freqüentemente floresce ao longo das bordas das auroras, e roxos e azuis também aparecem no céu noturno, embora isso aconteça raramente.

"A causa da aurora é pouco conhecida, mas não está totalmente resolvida", disse Toshi Nishimura, geofísico da Universidade de Boston. "Por exemplo, o que causa um determinado tipo de cor da aurora, como o roxo, ainda é um mistério."

Quem é Steve?

Além das auroras, a ionosfera também recebe outros espetáculos de luzes impressionantes.

Em 2016, os cientistas cidadãos identificaram um fenômeno particularmente atraente que os cientistas lutaram para explicar. Rios brilhantes de luz branca e rosada fluíram sobre o Canadá, que fica mais ao sul do que a maioria das auroras aparecem. Ocasionalmente, traços verdes juntaram-se à mistura. As luzes misteriosas foram chamadas de Steve em homenagem ao filme de animação "Over the Hedge" e mais tarde foram renomeadas como "Aumento da Velocidade de Emissão Térmica Forte" - ainda STEVE para abreviar.

"Temos estudado a aurora por centenas de anos e não podíamos, e ainda não podemos explicar o que Steve é", disse Gareth Perry, um cientista do clima espacial do New Jersey Institute of Technology. "É interessante porque suas emissões e propriedades são diferentes de tudo o que observamos, pelo menos com a óptica, na ionosfera."

De acordo com um estudo de 2019 na revista Geophysical Research Letters, as faixas verdes dentro de STEVE podem se desenvolver de forma semelhante à forma como as auroras tradicionais se formam, conforme partículas carregadas chovem na atmosfera. Em STEVE, entretanto, o rio de luz parece brilhar quando as partículas dentro da ionosfera colidem e geram calor entre si.

A fotografia deste astrônomo amador, tirada em 8 de maio de 2016, em Keller, Washington, foi usada na nova pesquisa sobre o fenômeno celestial denominado STEVE. As principais estruturas são duas faixas de emissões atmosféricas superiores localizadas a 100 milhas (160 quilômetros) acima do solo: um arco avermelhado e uma cerca verde.(Crédito da imagem: Rocky Raybell

Comunicação e navegação

Embora as reações na ionosfera pintem o céu com tons brilhantes, elas também podem interromper os sinais de rádio, interferir nos sistemas de navegação e, às vezes, causar apagões generalizados de energia.

A ionosfera reflete transmissões de rádio abaixo de 10 megahertz, permitindo que militares, companhias aéreas e cientistas conectem sistemas de radar e comunicação a longas distâncias. Esses sistemas funcionam melhor quando a ionosfera é lisa, como um espelho, mas podem ser interrompidos por irregularidades no plasma. As transmissões de GPS passam pela ionosfera e, portanto, apresentam as mesmas vulnerabilidades.

"Durante grandes tempestades geomagnéticas ou eventos climáticos espaciais, as correntes [na ionosfera] podem induzir outras correntes no solo, redes elétricas, dutos, etc... e causar estragos", disse Perry. Uma dessas tempestades solares causou o famoso blecaute de Quebec em 1989. "Trinta anos depois, nossos sistemas elétricos ainda estão vulneráveis a tais eventos."

Os cientistas estudam a ionosfera usando radares, câmeras, instrumentos ligados a satélites e modelos de computador para entender melhor a dinâmica física e química da região. Armados com esse conhecimento, eles esperam prever melhor as interrupções na ionosfera e evitar problemas que podem causar em solo.

Recursos adicionais:

• Confira uma apresentação de slides de fantásticas auroras da National Geographic.
• Aprenda como o GPS funciona com o Smithsonian National Air and Space Museum.
• Assista a uma animação do campo magnético da Terra em ação, da Nova e da Khan Academy.

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Referência:

LANESE, Nicoletta. What is the ionosphere? (And who is Steve?). Space, 08, fev. 2021. Disponível em: <https://www.space.com/ionosphere.html?fbclid=IwAR3uz8ANVbinCE_qbGwLGlodlbAiF2C1L4KEuVjQWgUi7RGf8MTEhoD4uD8>. Acesso em: 11, jun. 2021.