Fenômenos luminosos acima de tempestades estão sendo investigados

Em dezembro, com o início do verão no hemisfério Sul, chegam as tempestades, os relâmpagos e, com eles, os fenômenos luminosos conhecidos como elves. Derivados de relâmpagos, eles se formam entre 85 e 100 quilômetros (km) de altitude, têm uma espessura de 5 a 10 km apenas, chegam a 800 km de extensão e duram microssegundos. Identificados em 1996, elves é a sigla de emission of light and very low-frequency perturbations due to electromagnetic pulse sources (emissão de luz e perturbações de frequência muito baixa devido a fontes de pulso eletromagnético).

Uma equipe do Observatório Pierre Auger, situado na Argentina, registrou 1.598 elves de 2014 a 2016, dos quais 379 foram vistos simultaneamente por dois telescópios voltados para direções diferentes e 50 por três. “É a primeira evidência de elves triplos”, diz o físico italiano Roberto Mussa, do Instituto Nacional de Física Nuclear de Turim, na Itália, responsável pelas observações e um dos autores do artigo com o registro dos elves triplos, publicado em fevereiro de 2020 na revista Earth and Space Science. Segundo ele, o observatório já registrou 5 mil elves nos últimos quatro anos.

Esse foi o maior levantamento feito até agora por uma única equipe com equipamentos de superfície, mas não ocorreu de forma proposital: os 24 telescópios que captaram os elves são usados para detectar raios cósmicos de alta energia. “Os telescópios detectam esses fenômenos luminosos gerados na alta atmosfera quando as tempestades ocorrem a grandes distâncias do observatório, de 250 a 1.500 km”, comenta a física Carola Dobrigkeit Chinellato, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), uma das coordenadoras da participação brasileira no Pierre Auger.

“Elves múltiplos são uma novidade”, comenta a física Eliah São Sabbas, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), que estuda esses fenômenos desde a década de 1990. Segundo ela, de acordo com a direção do pulso eletromagnético, os elves formam anéis de luz avermelhada, como um donut, quando produzidos por um relâmpago descendente (nuvem-solo), também chamado de raio, ou um disco contínuo de luz, quando formados por relâmpagos dentro das nuvens.

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Segundo ela, os chamados eventos luminosos transientes (ELTs) resultantes de tempestades como os elves podem ser indicadores de mudanças climáticas. Se a temperatura de uma região aumentar, tempestades e relâmpagos podem se tornar mais frequentes e gerar mais ELTs. Um artigo de novembro de 2010 na revista Journal of Geophysical Research, no qual ela participou, registrou mais de 400 elves e outros ELTs gerados por uma única tempestade na Argentina.

São Sabbas coordena a Rede Colaborativa para a Investigação de Eventos Luminosos Transientes e Emissões de Altas Energia de Tempestades (rede Leona), cujos equipamentos captaram cerca de 500 ELTs nas campanhas de 2018 e 2019. Ocorrem 35 elves e apenas um sprite por minuto no planeta, de acordo com o experimento Imager of Sprite and Upper Atmospheric Lightning (Isual), a bordo do satélite Formosat-II, operado pela agência espacial chinesa.

Tempestades como esta, registrada pela Estação Espacial Internacional em 2018, geram raios, relâmpagos e outros fenômenos luminosos, como os elves. (Imagem de ESA)

Desde junho de 2018, o monitor de interações espaço-atmosfera (Asim), instalado na Estação Espacial Internacional, procura esses fenômenos diretamente do espaço, complementando as observações feitas da Terra. “A chance de detectar os mesmos elves em terra e no espaço é muito baixa, mas as observações são complementares”, explica Mussa. Elves são mais facilmente vistos do espaço, segundo São Sabbas, por causa do ar extremamente rarefeito acima de 100 km de altitude. “Na terra, a luminosidade visível se perde ao interagir com o oxigênio da atmosfera cada vez mais densa em direção ao solo”, diz ela.

A variação da energia dos raios cósmicos

Já se sabia que chegam à Terra mais raios cósmicos com energias baixas do que com energias altas, mas agora os pesquisadores do Observatório Pierre Auger detalharam o chamado espectro de energia (variação do fluxo em função da energia) desse tipo de partícula com energias acima de 2,5 x10¹⁸ elétron-volt (eV).

“As partículas com energias extremas são efetivamente muito raras, a ponto de chegar cerca de uma por quilômetro quadrado por ano com energia acima de 10¹⁸ e-V”, diz a física Carola Dobrigkeit Chinellato, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), uma das coordenadoras da participação brasileira no Pierre Auger.

As conclusões se apoiam em 215.030 registros acumulados nos últimos 14 anos e foram publicadas em agosto de 2020 na Physical Review D e em setembro na Physical Review Letters, ambas destacadas pelos respectivos editores. “Quantificando o número de raios cósmicos que chegam à Terra e conhecendo o perfil de energia deles, poderemos entender melhor os processos de aceleração que sofreram no espaço em torno de seu local de origem, a composição e o quanto de energia perderam no trajeto de milhões de anos-luz até nós”, comenta a pesquisadora.

Projetos

Estudo dos raios cósmicos de mais altas energias com o Observatório Pierre Auger (n^o 10/07359-6); Modalidade Projeto Temático; Pesquisador responsável Carola Dobrigkeit Chinellato (Unicamp); Investimento R$ 162.938,96.
Leona: Rede colaborativa para a investigação de Eventos Luminosos Transientes e Emissões de Alta energia de Tempestades (n^o12/20366-7); Modalidade Auxílio à pesquisa – Regular; Pesquisadora responsável Eliah Fernanda de Maria de São Sabbas Tavares (Inpe); Investimento R$ 526.751,79.