BOULDER, COLORADO – Para todo o mês de Fevereiro o sol está quase impecável, um círculo suave preenchido com um lápis de cor dourada. Já passou mais de uma década desde que faltaram as manchas solares – nós magnéticos escuros tão grandes como a Terra, que são um barómetro do temperamento do sol. Abaixo da superfície, no entanto, uma transição radical está em curso. Dentro de cerca de 5 anos, o sol estará inundado de manchas solares e mais propenso a violentas explosões de actividade magnética. Então, daqui a cerca de 11 anos, o ciclo solar será concluído: As manchas solares desaparecerão e o sol voltará a ficar calmo.
No início de Março, uma dúzia de cientistas descerá aqui ao Centro Nacional de Investigação Atmosférica (NCAR) para prever quando o sol atingirá o seu pico, e quão indisciplinado se tornará. Como a luz reflecte a neve apanhada nas árvores e nos riachos através das altas janelas de uma sala de conferências, o Painel de Previsão do Ciclo Solar 25 chega à ordem. A NASA e a National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) patrocinam estes painéis desde 1989, com o objectivo de compreender o que impulsiona os ciclos de 11 anos do Sol e avaliar os métodos para os prever. Mas o exercício não é apenas académico: Os militares, os operadores de satélites e as empresas de electricidade querem todos saber o que o sol tem reservado, porque as erupções e explosões de partículas carregadas que marcam o máximo solar podem danificar as suas tecnologias.
P>Os manchas solares podem ser vistos a olho nu, mas só em meados do século XIX é que os astrónomos se aperceberam de que eles vêm e vão num horário difícil. Aparecem primeiro a meia altura e depois proliferam, migrando para o equador ao longo de cerca de 11 anos. Em 1848, o astrónomo suíço Johann Rudolf Wolf publicou um relato do registo da mancha solar, identificando 1755-66 como “Ciclo 1”, o primeiro período em que as contagens eram fiáveis. Ele criou então uma fórmula para contar o número de manchas solares diárias – uma técnica algo subjectiva que evoluiu para um método de contagem utilizado hoje em dia para casar conjuntos de dados ao longo dos séculos.
Os ciclos são caprichosos, no entanto. Por vezes, o sol fica calmo durante décadas, com contagens anémicas de manchas solares ao longo de vários ciclos – como ocorreu durante o chamado mínimo Dalton do século XIX. Tais variações são o que os cientistas do NCAR se reuniram para prever. O problema é que ninguém nesta sala ou em qualquer outro lugar sabe realmente como o sol funciona.
p>Muitos modelos se agarram à realidade, mas nenhum deles junta todo o puzzle. A última vez que o painel se reuniu, em 2007, os seus cientistas avaliaram dezenas de modelos e chegaram a uma previsão que estava longe de ser perfeita. Falhou o timing do máximo, Abril de 2014, em quase um ano, e também a fraqueza geral do ciclo passado. Este painel, que é quem faz a lista dos cientistas solares, não sabe se vai fazer melhor.
Como o relógio NCAR marca a hora de início, os membros do painel sentam-se em silêncio incómodo, agarrando-se às suas chávenas de café compostáveis. Eles sabem o que os próximos 4 dias contêm: lutas por física e intuição, crença e dados, correlação e causalidade. As tensões ensombram a reunião: Scott McIntosh, director do Observatório de Alta Altitude (HAO) do NCAR, tem aqui um escritório por cima da sala de reuniões e a sua própria visão pouco ortodoxa do que impulsiona o ciclo solar e de como o prever. Mas McIntosh, franco e provocador, não foi convidado a fazer parte do painel, embora um colaborador apresente a pesquisa do HAO.
Às 8:30 da manhã, o líder sério do painel, Doug Biesecker – que trabalha no Centro de Previsão do Tempo Espacial da NOAA aqui e se desloca de bicicleta, independentemente do tempo – leva todos à tarefa: classificar através dos muitos modelos e chegar a um consenso sobre o próximo ciclo. “A confusão que se obtém da comunidade precisa de ser sintetizada em algo que seja idealmente correcto”, diz Biesecker. “Mas sabem, como podemos saber o que vai ser correcto?”
Não podem.
Se quisermos provar o ponto, aparecem 14 manchas solares surpresa, vendo algo na superfície que há tanto tempo estava tão desprovido de características.
Even nos seus dias mais calmos, o sol está a brilhar. Alimentado pela fusão no seu núcleo, o sol é uma bola de partículas quentes, carregadas, ou plasma, que se agita constantemente, gerando correntes eléctricas que, por sua vez, induzem campos magnéticos. No interior do sol é uma zona radiante densa, onde os fotões lutam lentamente contra o seu caminho para fora. A um certo ponto no terço exterior do sol – o plasma arrefece o suficiente para permitir a convecção, um movimento de ebulição que transporta a energia para a superfície. Nesta zona, o sol gira diferentemente: mais rapidamente no equador do que nos pólos. Os movimentos de cisalhamento que resultam esticam e torcem os campos magnéticos, fortalecendo-os – um processo que de alguma forma afecta o ciclo de 11 anos. As linhas de campo emaranhadas por vezes rebentam através da zona convectiva e saltam da superfície, formando manchas solares.
O fluxo e refluxo do sol afecta a Terra. A sua atmosfera superior absorve os raios ultravioleta do sol, que escurecem ligeiramente ao mínimo solar. Isso faz com que a atmosfera arrefeça e encolha, reduzindo o atrito para os satélites de baixa altitude. Em ciclos solares calmos, os operadores assumem que os seus satélites permanecerão em órbita por mais tempo – e porque o mesmo acontece com o lixo espacial, o risco de colisão aumenta. O campo magnético do sol também enfraquece ao mínimo solar, o que representa outra ameaça para os satélites. O campo enfraquecido repreende menos raios cósmicos galácticos, partículas de alta energia que podem virar bits na electrónica de satélites.
No máximo solar, em contraste, o sol aquece e inflaciona a atmosfera superior da Terra, e muitas vezes acende e liberta as suas próprias partículas. Elas não são tão energéticas como os raios cósmicos galácticos, mas vêm numa inundação repentina. No máximo solar, diz Biesecker, estas “ejecções de massa coronal” de partículas carregadas são 10 vezes mais frequentes do que no mínimo. Horas ou dias após o sol as cuspir, as partículas precipitam-se no campo magnético da Terra, provocando tempestades geomagnéticas que podem durar dias. As tempestades podem perturbar as comunicações, interromper o seguimento de naves espaciais e mísseis, e distorcer as medições GPS. Podem também induzir fortes correntes nas redes eléctricas, que podem destruir transformadores e outros equipamentos. Tripulações aéreas a grandes altitudes, particularmente perto dos postes, podem ser banhadas com as partículas energéticas do sol – um risco de cancro.
Tudo isto contribui para a importância prática das previsões do painel. “Se se conceber um satélite para uma vida útil de 10 ou 12 anos, é necessário considerar o ciclo”, diz Michael Martinez, vice-presidente de operações de missão na Maxar em Westminster, Colorado, que faz orbitadores de imagens de alta resolução. Os projectistas precisam de ter a certeza que um satélite tem propulsor suficiente para combater o atrito de uma atmosfera em expansão à medida que o sol se aproxima ao máximo, e precisam de proteger a sua electrónica de partículas solares.
Mais preocupante é a perspectiva de uma grande tempestade solar, tal como o Evento Carrington de 1859. Durante essa tempestade, o sol ejectou milhares de milhões de toneladas de partículas carregadas, causando auroras tão a sul como as Caraíbas e gerando correntes em linhas telegráficas suficientemente potentes para chocar os operadores. Hoje em dia, o efeito de um tal evento nos computadores e nas comunicações seria terrível. Os sistemas de transacções financeiras poderiam entrar em colapso. A energia e a água poderiam facilmente sair. “Provavelmente seria The Hunger Games muito em breve”, diz McIntosh.
Se conceber um satélite para uma vida útil de 10 ou 12 anos, terá de considerar o ciclo.
McIntosh não questiona a necessidade de se preparar, mas é céptico quanto à abordagem do painel. De facto, ele acredita que a sua própria premissa – prevendo a ascensão e queda das manchas solares – está fora da base. As manchas solares, e o próprio ciclo, são apenas sintomas de uma história ainda misteriosa que se desenrola dentro do sol.
Lika Guhathakurta, uma observadora do painel do Centro de Investigação Ames da NASA na Califórnia, concorda. “A mancha solar não é um índice físico de nada”, diz ela, após as conversas introdutórias da manhã. “Por isso, o facto de a termos utilizado como um substituto, por si só, apresenta uma espécie de problema”. Usando manchas solares – um efeito secundário, não uma causa – para prever o comportamento futuro do sol é como tentar adivinhar a teoria germinal da doença olhando para um nariz a pingar, ela e McIntosh pensam.
Mas porque os membros do painel se reuniram especificamente para prever os números de manchas solares, eles soldam, revendo cerca de 60 modelos ao longo dos próximos 4 dias. Cada um prevê o número de manchas solares no máximo solar, bem como o tempo mínimo e máximo.
Muitos dos modelos confiam em “precursores” – observáveis, não muito diferentes das próprias manchas solares, que provaram ser empiricamente úteis na previsão do tempo ou magnitude do máximo solar. Uma popular é a força do campo magnético nos pólos do sol no mínimo solar. Os telescópios podem medir esta força de campo ao medir como os átomos acima da superfície do sol absorvem certos comprimentos de onda de luz. Um campo fraco geralmente anuncia um ciclo silencioso, porque os campos polares representam as sementes que irão perfurar como manchas solares e crescer na actividade do próximo ciclo solar. Robert Cameron, painelista e físico solar do Instituto Max Planck de Investigação do Sistema Solar em Göttingen, Alemanha, diz que ao longo de cerca de quatro ciclos de observação directa e mais de um século de dados indirectos, a correlação “é boa e altamente significativa estatisticamente”
Outros modelos precursores dependem dos efeitos do ciclo solar sobre a Terra. Durante 170 anos, por exemplo, observatórios em todo o mundo têm rastreado perturbações no campo magnético da Terra, que tendem a ser mais frequentes ao máximo solar. Mas ao medir algo na Terra em vez do Sol, os métodos são um passo à parte, diz Dean Pesnell, cientista de projecto do Observatório de Dinâmica Solar da NASA e investigador do Centro de Voo Espacial Goddard da NASA em Greenbelt, Maryland. “Tiveram um registo misto”
Outra abordagem assemelha-se à previsão climática: utilizando simulações baseadas na física do sol para prever como este irá evoluir. Os modelos, que combinam teorias do electromagnetismo e da dinâmica dos fluidos, começam com as condições actuais do sol e calculam a sua evolução ao longo do ciclo. E estão a melhorar, diz Maria Weber, uma painelista e bolseira da Universidade de Chicago em Illinois. O aumento do poder computacional e melhores algoritmos significam que os cientistas podem executar simulações em poucas horas que há uma década atrás teriam levado semanas. Também têm mais medições para calibrar os modelos: não só contagens de manchas solares e medições do campo polar, mas também medições de dados de helioseismologia – medições de vibrações que sondam o interior do sol – que podem captar o fluxo de plasma sob a superfície do sol.
Um sol sem manchas, como visto em Maio pelo Observatório de Dinâmica Solar da NASA. O sol está próximo do mínimo solar.
NASA/SDO; AIA, EVE, AND HMI SCIENCE TEAMS
Estes modelos de “dínamo” estão a fornecer informações sobre como a forma do campo magnético do sol muda ao longo de um ciclo. No início o campo é principalmente poloidal – com linhas de campo que vão de pólo a pólo como um íman de barra. Mas à medida que a rotação diferencial do sol torce o campo magnético, a sua forma torna-se toroidal, enrolando-se à volta da estrela como um donut. “É quando o magnetismo cria especificamente manchas solares”, diz Weber.
Over o tempo, o “fluxo meridional”, uma circulação do equador para o pólo na zona convectiva, conduz estes campos magnéticos superficiais de volta para os pólos, convertendo os campos toroidais de volta em poloidais. Embora os modelos possam recriar este ciclo básico de 11 anos, Weber diz que eles ainda têm uma grande falha. “Nenhum modelo de dínamo foi capaz de criar manchas solares”, diz Weber. Os modelistas usam o magnetismo toroidal intenso como um proxy para bandas produtoras de manchas solares.
Até outros modelos procuram correlações como um teórico da conspiração: em qualquer lugar onde as possam encontrar. Vê-se como o declínio das manchas solares há três ciclos atrás se relaciona com o pico do ciclo actual. Outro relaciona a duração do ciclo anterior com o número mínimo de manchas solares. “Não há muita física envolvida”, admite a jurista Rachel Howe da Universidade de Birmingham, no Reino Unido, que foi encarregada de rever a miscelânea dos modelos estatísticos. “Também não há muita sofisticação estatística”
O painelista Andrés Muñoz-Jaramillo do Instituto de Investigação do Sudoeste de Boulder concorda com Howe. “Não há qualquer ligação com a física solar”, diz ele, frustrado. McIntosh, que por esta altura já desceu das escadas do seu escritório e aparece na entrada da porta, é mais embotado. “Está a tentar livrar-se da numerologia”, diz ele, sorridente.
“Foi assim que alguma ciência ocorreu”, protesta Lisa Upton, co-presidente da Biesecker e física da Space Systems Research Corporation em Alexandria, Virgínia: Encontra uma relação quantitativa obscura que não compreende, e só mais tarde modela o que significa fisicamente.
Biesecker admite o ponto. “Mas ainda não encontrámos realmente uma que pareça funcionar”, diz ele. “E há centenas de anos que o fazemos”.
McIntosh está irritado por o painel estar a pesar modelos que ele considera duvidosos. “É assim que as igrejas surgem”, diz ele. “És um discípulo de um discípulo de um discípulo”. McIntosh, que não estudou astrofísica na escola e, em vez disso, concentrou-se na matemática e na física, tem a sua própria ideia de como o sol funciona – e não brota de um dos modelos populares.
Tudo o ano de 2002, começou a catalogar características brilhantes que, em imagens ultravioletas extremas da atmosfera exterior do sol, ou corona, parecem bóias flutuando no plasma incandescente. Estes pontos brilhantes, encontrou, seguem um caminho semelhante através do sol como as manchas solares, excepto que começam mais alto, a cerca de 55° de latitude, antes de marcharem em direcção ao equador. McIntosh faz a hipótese de que tanto as manchas solares como os pontos brilhantes reflectem bandas paralelas de fluxo magnético que, no início de cada ciclo, se formam em altas latitudes e, tal como um relógio, se encontram no equador no final do ciclo. Os pontos brilhantes, contudo, poderiam ser melhores marcadores para as bandas – mais estreitamente ligados ao que se passa nas profundezas do sol.
Se as previsões se mantiverem, em algum momento alguém terá de se sentar e tomar nota.
Durante o último mínimo solar, ele observou como os pontos brilhantes – e presumivelmente, as bandas – sobrepostas no equador. McIntosh chama ao encontro “o Exterminador”, porque pensa que é o momento em que as duas bandas – que têm polaridade magnética oposta – se anulam mutuamente, marcando o fim abrupto de um ciclo de 11 anos e o início do próximo. Mas porque o pólo magnético norte e sul do Sol é invertido no final de cada ciclo, McIntosh prefere falar de um ciclo alargado de 22 anos. Ele espera que, ao compreender as bandas, os cientistas sejam finalmente capazes de produzir previsões fiáveis e precisas.
A equipa ainda está a trabalhar exactamente na razão pela qual estas supostas bandas se iriam formar. Num artigo de 2014 no The Astrophysical Journal, McIntosh e os seus colegas expuseram o seu melhor palpite: células giratórias gigantes próximas da base da zona convectiva formam tubos de fluxo magnético que aparecem na superfície como bandas de actividade.
No meio da sua investigação, descobriram que não estavam sozinhos: Na década de 1980, outros cientistas tinham publicado um artigo na Nature descrevendo basicamente a mesma ideia. Mas esse trabalho desapareceu na obscuridade. Agora, a ideia de um ciclo alargado, de 22 anos, está de novo a apanhar o comboio com alguns investigadores. O cientista da HAO Mausumi Dikpati publicou recentemente um artigo na Nature que se baseia nas ideias de McIntosh. As bandas magnéticas, ela faz hipóteses, também produzem “barragens magnéticas”, que retêm o plasma empilhado. Quando as bandas se encontram e aniquilam umas às outras, as barragens quebram-se. O plasma rola do equador em direcção às midlatitudes a 300 metros por segundo no que Dikpati chama um “tsunami solar”. As ondas impulsionam campos magnéticos para a superfície, criando as primeiras manchas solares do ciclo seguinte algumas semanas depois.
Dikpati, que é um conselheiro do painel, apresenta esta pesquisa aos membros do painel, que, por esta altura, têm muito a considerar antes de emitirem os seus votos.
Até ao último dia, a neve derreteu os pinheiros. Chegou o momento de o painel fazer a sua previsão. Biesecker parece cansado quando se apresenta perante os membros do painel. “Um consenso entre especialistas pode muitas vezes ser uma melhor previsão do estado futuro de um sistema do que o conjunto de previsões individuais”, diz ele.
McIntosh paira novamente na porta de entrada enquanto os membros do painel votam solenemente, as suas previsões e estimativas de incerteza com base numa avaliação instintiva dos modelos. Biesecker tabula devidamente as estimativas, e apresenta um intervalo de pico das manchas solares: 95 a 130. Isto significa um ciclo fraco, mas não notavelmente, e é marginalmente mais forte do que o ciclo passado. Ele faz o mesmo com os votos para a calendarização do mínimo. O consenso é que chegará algum tempo entre Julho de 2019 e Setembro de 2020. O máximo seguir-se-á algures entre 2023 e 2026.
McIntosh tem a sua própria previsão privada: um pico de 155 manchas solares, em meados de 2023. Ele admite que pode estar errado. Mas uma previsão bem sucedida, ele espera, irá ganhar alguma aceitação do seu modelo. “Se as previsões se confirmarem”, diz McIntosh, “a dada altura alguém tem de se sentar e tomar nota”
Quem, se alguém, estiver certo, não será conhecido durante anos. Entretanto, o sol, aproximando-se do mínimo, está a revelar-se tão surpreendente como sempre. Na noite anterior, aquela região activa de manchas solares entrou em erupção durante uma hora consecutiva. As partículas da ejeção da massa coronal chegarão em questão de dias.
Como o painel prepara as suas previsões e aperfeiçoa as suas mensagens, a tempestade carrega em direcção à Terra, pronta ou não.
*Clarificação, 19 de Junho, 14 horas: a afiliação de Michael Martinez foi alterada para reflectir a absorção de DigitalGlobe pela nova empresa-mãe Maxar.