Nós aqui na Terra temos a sorte de termos uma atmosfera viável, protegida pela magnetosfera da Terra. Sem esse envelope protetor, a vida na superfície seria bombardeada por radiação prejudicial emanada do Sol. No entanto, a atmosfera superior da Terra ainda está vazando lentamente, com cerca de 90 toneladas de material por dia escapando da atmosfera superior e fluindo para o espaço.
E embora os astrônomos investiguem esse vazamento há algum tempo, ainda existem muitas perguntas sem resposta. Por exemplo, quanto material está sendo perdido no espaço, que tipos e como isso interage com o vento solar para influenciar nosso ambiente magnético? Esse foi o objetivo do projeto Cluster da Agência Espacial Européia, uma série de quatro naves espaciais idênticas que medem o ambiente magnético da Terra nos últimos 15 anos.
Para entender a interação de nossa atmosfera com o vento solar, primeiro precisamos entender como o campo magnético da Terra funciona. Para iniciantes, ela se estende do interior de nosso planeta (e acredita-se ser o resultado de um efeito de dínamo no núcleo) e chega até o espaço. Essa região do espaço, sobre a qual nosso campo magnético exerce influência, é conhecida como magnetosfera.
A porção interna dessa magnetosfera é chamada de plasmasfera, uma região em forma de rosca que se estende a uma distância de cerca de 20.000 km da Terra e co-gira com ela. A magnetosfera também é inundada com partículas e íons carregados que ficam presos no interior e são enviados pulando para frente e para trás ao longo das linhas de campo da região.
Na sua borda frontal, voltada para o Sol, a magnetosfera encontra o vento solar - um fluxo de partículas carregadas que fluem do Sol para o espaço. O local em que eles fazem contato é conhecido como "Choque do Arco", assim chamado porque suas linhas de campo magnético forçam o vento solar a assumir a forma de um arco quando passam por nós e ao redor.
À medida que o vento solar passa pela magnetosfera da Terra, ele se reúne novamente atrás do nosso planeta para formar uma magnetotail - um tubo alongado que contém folhas de plasma presas e linhas de campo em interação. Sem esse envelope protetor, a atmosfera da Terra teria sido lentamente removida bilhões de anos atrás, um destino que agora se acredita ter ocorrido em Marte.
Dito isto, o campo magnético da Terra não é exatamente hermeticamente fechado. Por exemplo, nos pólos do nosso planeta, as linhas de campo estão abertas, o que permite que partículas solares entrem e encham nossa magnetosfera com partículas energéticas. Esse processo é o responsável pela Aurora Boreal e pela Aurora Australis (também conhecidas como luzes do norte e do sul).
Ao mesmo tempo, partículas da atmosfera superior da Terra (a ionosfera) podem escapar da mesma maneira, viajando pelos pólos e perdendo-se no espaço. Apesar de aprender muito sobre os campos magnéticos da Terra e como o plasma é formado por meio da interação com várias partículas, muito sobre todo o processo não ficou claro até recentemente.
Como Arnaud Masson, o vice-cientista de projetos da ESA para a missão Cluster declarou em um comunicado de imprensa da ESA:
“A questão do transporte de plasma e da perda atmosférica é relevante para planetas e estrelas e é um tópico incrivelmente fascinante e importante. Entender como a matéria atmosférica escapa é crucial para entender como a vida pode se desenvolver em um planeta. A interação entre o material de entrada e saída na magnetosfera da Terra é um tópico importante no momento; de onde exatamente essas coisas vêm? Como ele entrou no nosso espaço?“
Dado que nossa atmosfera contém 5 quatrilhões de toneladas de matéria (ou seja, 5 x 1015, ou 5.000.000 bilhões de toneladas), uma perda de 90 toneladas por dia não representa muito. No entanto, esse número não inclui a massa de "íons frios" que são adicionados regularmente. Este termo é normalmente usado para descrever os íons de hidrogênio que agora sabemos que estão sendo perdidos para a magnetosfera regularmente (junto com íons de oxigênio e hélio).
Como o hidrogênio requer menos energia para escapar de nossa atmosfera, os íons criados quando esse hidrogênio se torna parte da plasmasfera também possuem baixa energia. Como resultado, eles foram muito difíceis de detectar no passado. Além disso, os cientistas só sabem sobre esse fluxo de íons oxigênio, hidrogênio e hélio - que vêm das regiões polares da Terra e reabastecem o plasma na magnetosfera - por algumas décadas.
Antes disso, os cientistas acreditavam que apenas as partículas solares eram responsáveis pelo plasma na magnetosfera da Terra. Mas, nos anos mais recentes, eles passaram a entender que duas outras fontes contribuem para a plasmasfera. As primeiras são “plumas” esporádicas de plasma que crescem dentro da plasmasfera e viajam para fora em direção à borda da magnetosfera, onde interagem com o plasma eólico solar vindo em outra direção.
A outra fonte? O vazamento atmosférico mencionado acima. Enquanto isso consiste em íons abundantes de oxigênio, hélio e hidrogênio, os íons frios de hidrogênio parecem desempenhar o papel mais importante. Eles não apenas constituem uma quantidade significativa de matéria perdida no espaço, como também podem desempenhar um papel fundamental na formação do nosso ambiente magnético. Além disso, a maioria dos satélites que orbitam a Terra atualmente é incapaz de detectar os íons frios sendo adicionados à mistura, algo que Cluster é capaz de fazer.
Em 2009 e 2013, as sondas Cluster conseguiram caracterizar sua força, bem como a de outras fontes de plasma adicionadas à magnetosfera da Terra. Quando apenas os íons frios são considerados, a quantidade de atmosfera perdida no espaço é de vários milhares de toneladas por ano. Em suma, é como perder meias. Não é grande coisa, mas você gostaria de saber para onde eles estão indo, certo?
Essa tem sido outra área de foco da missão Cluster, que durante a última década e meia tenta explorar como esses íons se perdem, de onde vêm e assim por diante. Como Philippe Escoubet, cientista do projeto da ESA para a missão Cluster, colocou:
“Em essência, precisamos descobrir como o plasma frio acaba na magnetopausa. Existem alguns aspectos diferentes para isso; precisamos conhecer os processos envolvidos no transporte para lá, como esses processos dependem do vento solar dinâmico e das condições da magnetosfera e de onde vem o plasma, em primeiro lugar - ele se origina na ionosfera, na plasmasfera ou Em outro lugar?“
As razões para entender isso são claras. Partículas de alta energia, geralmente na forma de erupções solares, podem representar uma ameaça para a tecnologia espacial. Além disso, entender como nossa atmosfera interage com o vento solar também é útil quando se trata de exploração espacial em geral. Considere nossos esforços atuais para localizar a vida além do nosso próprio planeta no Sistema Solar. Se há uma coisa que décadas de missões a planetas próximos nos ensinaram, é que a atmosfera e o ambiente magnético de um planeta são cruciais para determinar a habitabilidade.
Nas proximidades da Terra, há dois exemplos disso: Marte, que tem uma atmosfera fina e é muito frio; e Vênus, cuja atmosfera é muito densa e quente demais. No sistema solar externo, a lua de Saturno, Titã, continua nos intrigando, principalmente por causa da atmosfera incomum. Como o único corpo com uma atmosfera rica em nitrogênio além da Terra, também é o único planeta conhecido onde a transferência de líquidos ocorre entre a superfície e a atmosfera - embora com petroquímicos em vez de água.
Além disso, a missão Juno da NASA passará os próximos dois anos explorando o campo magnético e a atmosfera de Júpiter. Essas informações nos dirão muito sobre o maior planeta do Sistema Solar, mas também espera lançar alguma luz sobre a formação planetária histórica no Sistema Solar.
Nos últimos quinze anos, Cluster conseguiu dizer muito aos astrônomos sobre como a atmosfera da Terra interage com o vento solar e ajudou a explorar os fenômenos do campo magnético que apenas começamos a entender. E, embora haja muito mais a ser aprendido, os cientistas concordam que o que foi descoberto até agora seria impossível sem uma missão como Cluster.
