A ISS desvenda os eventos luminosos transitórios acima das tempestades

Enquanto a maioria das pessoas, à superfície da Terra, apenas observa o estrondo do trovão e o clarão do relâmpago, há muito mais a acontecer nas camadas superiores da atmosfera - algo que não se vê a partir do chão.

Bem mais acima, no ar rarefeito a até cerca de 89 km de altitude, explodem autênticos fogos-de-artifício eléctricos de cores intensas, normalmente testemunhados apenas por astronautas em órbita a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS).

Estas aparições rápidas - jactos azuis, sprites vermelhos, halos violetas, anéis ultravioleta - são conhecidas em conjunto como eventos luminosos transitórios, ou ELT.

Durante décadas, foi difícil estudá-las de forma sistemática: surgiam sobretudo em relatos de pilotos e em fotografias ocasionais, obtidas por sorte.

A ISS mudou esse panorama ao oferecer uma posição privilegiada acima das tempestades, sem obstáculos, onde câmaras e sensores especializados conseguem registar cada faísca fugaz.

Aos poucos, os investigadores estão a perceber que o que acontece nesta camada “escondida” pode abalar transmissões de rádio, influenciar a segurança da aviação e até alterar a química da alta atmosfera.

Laboratório de tempestades fixado à ISS

O elemento central desta vigilância do céu é o Atmosphere–Space Interactions Monitor. O ASIM, construído pela Agência Espacial Europeia, está instalado numa plataforma externa da ISS desde 2018.

A sua missão é observar a Terra e registar clarões mais pequenos do que uma unha e mais curtos do que um batimento cardíaco.

As câmaras de alta velocidade e os fotómetros do monitor já produziram resultados acima do esperado.

Os dados indicam que certas descargas, semelhantes a relâmpagos, no topo de uma nuvem de trovoada conseguem injectar energia electromagnética na ionosfera e acender um enorme anel de luz ultravioleta chamado um ELVES.

Estes anéis podem reforçar a carga na ionosfera ao longo de centenas de quilómetros, com potencial para interferir em sinais de rádio de longo alcance.

O ASIM também tem registado descargas de corona ultrabreves - surtos tão curtos que, muitas vezes, os instrumentos em terra não os captam.

Ao medir o tempo e ao analisar estas coronas, os investigadores começam a compreender de que forma as regiões superiores da nuvem “preparam o terreno” para a formação de relâmpagos completos.

Fenómeno estranho dos “sprites vermelhos”

Um fenómeno enigmático conhecido como “sprites vermelhos” ocorre de forma aleatória na mesosfera, pairando como medusas invertidas durante escassos dez milissegundos. Já os jactos azuis irrompem do topo das nuvens em direcção à estratosfera com uma urgência inquietante e silenciosa.

Ambos os eventos são tão rápidos e acontecem tão alto que, durante muito tempo, foi quase impossível captar pormenores. Ainda assim, o ASIM consegue detectá-los a partir da órbita.

Num estudo, as imagens recolhidas, em conjunto com instrumentos no solo, serviram para determinar a altitude de um único jacto azul. Isso confirmou que estas descargas ascendentes realmente ultrapassam a camada meteorológica que nos é familiar.

Essas medições alimentam directamente modelos de electrificação das tempestades, que por sua vez ajudam a definir orientações para a aviação sobre onde podem existir campos eléctricos perigosos.

Tripulação da ISS regista sprites vermelhos a partir da órbita

A cúpula da ISS - a cúpula de observação com sete janelas, frequentemente vista em autorretratos de astronautas - passou a integrar o conjunto de ferramentas científicas.

No âmbito da experiência Thor-Davis, da ESA, membros da tripulação da ISS colocam uma câmara de última geração atrás do vidro e filmam tempestades distantes a até 100 000 fotogramas por segundo.

Os filmes em câmara lenta resultantes mostram filamentos eléctricos a multiplicarem-se de formas que os manuais nunca anteciparam.

Ao registar com nitidez as ramificações em fracções de segundo, o Thor-Davis permite aos cientistas comparar e validar testes laboratoriais de plasma com acontecimentos reais.

De forma mais prática, estas imagens poderão, um dia, melhorar algoritmos que alertam operadores da rede eléctrica quando relâmpagos severos ameaçam linhas de transmissão.

Captar impulsos de relâmpago invisíveis

As tempestades de relâmpagos não se limitam ao espectro visível. Algumas descargas desencadeiam clarões de raios gama terrestres, impulsos de radiação com energia suficiente para submeter um avião comercial, por instantes, a uma dose equivalente a uma radiografia ao tórax.

Para cartografar estes riscos invisíveis, a Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial trabalhou com parceiros universitários para libertar o Light-1 a partir da ISS.

Apesar de não ser maior do que um pão, este CubeSat transporta detectores ajustados para fotões de alta energia.

À medida que o Light-1 regista clarões sobre sistemas de tempestade equatoriais, os investigadores planeiam cruzar os seus carimbos temporais com redes globais de detecção de relâmpagos em terra.

Com o tempo, isso deverá ajudar a construir um atlas tridimensional das zonas onde os clarões de raios gama ocorrem com maior frequência.

As tempestades interferem com sinais

À primeira vista, um sprite vermelho ou um anel ELVES pode parecer apenas uma curiosidade meteorológica - um “primo” em grande altitude das auroras.

No entanto, estes clarões surgem nas mesmas camadas carregadas que transportam ondas de rádio e retransmitem comunicações para submarinos. Se essas camadas forem perturbadas, as ligações podem enfraquecer ou falhar sem aviso.

Para as companhias aéreas, perceber quando e onde aparecem jactos azuis ou clarões de raios gama acrescenta mais uma dimensão ao planeamento de segurança em rotas polares ou equatoriais.

Os cientistas também se preocupam com o clima. Os ELT e as descargas de corona redistribuem óxidos de azoto e outros compostos entre estratos atmosféricos, alterando a química do ozono e o balanço radiativo.

Incluir esta mistura vertical nos modelos climáticos pode tornar mais rigorosas as previsões de aquecimento futuro.

Detectores de relâmpagos recebem melhorias

Com a ISS previsivelmente em operação ao longo desta década, o ASIM e os seus sucessores continuarão a reunir uma biblioteca de fenómenos de tempestade que antes eram invisíveis.

Os engenheiros imaginam detectores de próxima geração capazes de disparar automaticamente, gravar mais depressa e cobrir um espectro mais amplo - do rádio aos raios X duros.

CubeSats como o Light-1 poderão multiplicar-se numa frota, alimentando alertas em tempo real para serviços meteorológicos e operadores de satélites sempre que ocorrer um clarão de raios gama ou um mega-sprite.

Acima de tudo, a estação espacial demonstra que, para compreender o tempo na Terra, por vezes é preciso olhar de cima para baixo. Cada órbita acrescenta mais algumas imagens ao filme oculto dos relâmpagos.

Essas imagens aproximam-nos de prever - e talvez atenuar - as surpresas eléctricas que as tempestades lançam em direcção ao limite do espaço.