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O ACATMOS é o primeiro e, até o momento, único grupo na América Latina que estuda o Acoplamento Eletrodinâmico Atmosférico e Espacial, sinalizado pelos Eventos Luminosos Transientes (ELTs), dos quais os Sprites são os mais conhecidos, e pelas Emissões de Alta Energia de Nuvens de Tempestades (EAET), como os Flashes de Raios Gama Terrestres (FGTs).

De descoberta recente, os sprites em 1989 e os FGTs em 1994, os fenômenos constituem uma nova área de pesquisa estudada mundialmente. Os ELTs são emissões óticas observadas na atmosfera superior acima de nuvens de tempestade (18-100 km de altitude), geradas pela atividade elétrica dos relâmpagos dessas nuvens. As emissões de alta energia, resultantes dessa mesma atividade elétrica, são observadas do espaço, com sensores abordo de satélites, e do solo, na forma de raios gama, raios X, feixes de elétrons, pósitrons e de nêutrons; seus mecanismos de geração ainda estão em aberto.

O ACATMOS foi nucleado na Divisão de Aeronomia do INPE com apoio do projeto DEELUMINOS, financiado de 2005 a 2010 pelo Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes da FAPESP. Um total de 4 campanhas de observação bem sucedidas foram realizadas com o apoio desse projeto, com mais de 600 ELTs observados sobre tempestades no Brasil, Paraguai e Argentina. No momento o grupo participa do projeto temático CHUVA, financiado pela FAPESP. Coletamos os primeiros sprites e colaboração com o CHUVA sobre o Rio Grande do Sul na madrugada de 18-19/11/2012. Estamos também desenvolvendo o projeto LEONA: Rede Colaborativa na América Latina para a Investigação de Eventos Luminosos Transientes e Emissões de Alta Energia de Tempestades.

Introdução: Eventos Luminosos Transientes

Evento Luminoso Transiente, ELT, é o nome genérico atribuído para efeitos da atividade elétrica de tempestades na atmosfera superior, como sprites , ELVEs, halos, jatos azuis, jatos gigantes e outros associados com relâmpagos (Figura 1). Suas emissões óticas são observadas na atmosfera diretamente acima das tempestades usando cameras de video sen’siveis a baixos níveis de luminosidade localizadas ~150-1000 km das tempestades produtoras, seja no solo ou abordo de aviões, ou abordo de satélites.

As observações são realizadas a noite devido à baixa luminosidade dos fenômenos (algumas centenas de kR a alguns MR). Eles foram descobertos por acaso em 1989 quando os sprites foram documentados pela primeira vez [Franz et al., 1990]. Essas observações acabaram por se reveler como apenas uma de uma grande classe de fenômenos que foram inicialmente pensados como sendo relâmpagos “nuvem-ionosfera” ou “nuvem-estratosfera”. Entretanto, para evitar atribuir propriedades físicas a eventos antes de eles serem realmente conhecidos, Sentman et al. [1995a] sugeriu utilizar um nome sem atributos físicos e propôs o nome neutro “sprite”. A existência deles revelou o acoplamento eletrodinâmico de várias camadas atmosféricas, incluindo as regiões ionizadas, i.e. a ionosfera e magnetosfera.

Figura 1 – Ilustração em escala, utilizando cores falsas, mostrando os principais ELTs conhecidos até hoje (da equipe do TARANIS).

Sprites

Sprites são emissões óticas de curta duração (de alguns ms a ~100s ms) que acontecem na Mesosfera acima de nuvens de tempestade. As estimativas iniciais de brilho com base em observações de vídeo (30 quadros por segundo, do inglês “frames per second”, ou fps) indicaram que são fenômenos de baixa luminosidade (~100 kR a ~10 MR), mas observações mais recentes usando cameras de alta velocidade (10,000 fps) mostraram que o brilho estimado na cabeça dos canais de plasma tipo streamer que formam os sprites, podem exceder [Stenbaek-Nielsen et al. 2007].

Sua coloração avermelhada é predominantemente oriunda das primeiras bandas positivas do N2[Hampton at al., 1996], e o azul na porção inferior é devido às emissões das segundas bandas negativas do N2. A Figura 1 mostra a primeira imagem de sprites, obtida por Franz et al. [1990], monocromática, e uma imagem colorida mostrando suas cores reais, obtida por Sentman et al. [1995a].

Figura 1 – Resultados que marcaram a história da nova area de pesquisa que estuda os ELTs.

A imagem da esquerda marca a descoberta dos ELTs [Franz et al., 1990]. A da direita é a primeira imagem colorida de sprites, com cores reais, marcando o início dessa área de pesquisa [Sentman et al., 1995a].

Sentman et al. [1995a] realizaram o primeiro estudo detalhado desses fenômenos, os quais nomearam. Ele fizeram uma campanha na região central do Estados Unidos usando câmeras de video intensificadas, coloridas e monocromáticas, abordo de dois aviões para triangular a geolocalização (latitude, longitude e altitude) dos sprites. Eles capturaram as primeiras imagens coloridas com cores reais dos sprites e determinaram suas características físicas principais, ou seja sua morfologia e dimensões físicas. Eles também determinaram a cor vermelho-azulada dos sprites e a região atmosférica onde eles ocorrem, provendo as primeiras indicações dos mecanismos físicos envolvidos na geração dos sprites.

O trabalho de Sentman et al. [1995a] é um marco que estabeleceu a investigação desses fenômenos como uma nova área de pesquisa científica. Medidas de espectros de sprites, realizadas por Hampton et al. [1996] e parcialmente mostradas na Figura 2, terminaram de revelar que os sprites são gerados por excitação e ionização por impacto eletrônico, de modo semelhante às auroras.

Figura 2 – A linha sólida mostra o espectro de um sprite na região entre 600 e 900 nm, e as linhas verticais mostram o espectro da aurora.

Uma análise comparative permitiu a conclusão de que o mecanismo físico que gera os sprites é semelhante ao da aurora, excitação e ionização por impacto eletrônico [Hampton et al., 2000].

Os sprites são os mais espetaculares e mais estudados dos ELTs, eles abrangem altitude verticais de ~30 km a ~100 km, e têm dimensões laterais típicas de algumas dezenas de metros a ~40 km [Gerken et al., 2000; Stenbaek Nielsen et al., 2000]. Os sprites estão associados com relâmpagos nuvem-solo (NS), primairamente de polaridade positiva [Boccippio et al., 1995; Lyons, 1996; São Sabbas et al., 2003]. Atualmente, o mecanismo mais aceito para a sua produção é ionização e excitação por impacto eletrônico, na qual electrons ambientes na mesosfera ganham energia do campo quasi-eletrostático transiente de um relâmpago subjacente, que é suficiente para ionizer o ar, criando rupture dielétrica e produzindo fluorescêcia, primariamente do N2 [Pasko et al., 1997; São Sabbas, 2003].

Modelos recentes focam na descrição de canais de plasmas mesosféricos do tipo streamer, que compõem os sprites, e cujo desenvolvimento é esperado nas localizações onde sprites ocorrem [Pasko et al, 1998; Raizer et al., 1998; Liu and Pasko, 2004; Luque and Ebert, 2009; da Silva and São Sabbas, 2012].

Halos

Halos são emissões óticas transientes horizontais com forma discoide. Medidas de triangulação realizadas por Wescott et al. [2001] determinaram que os halos ocorrem centrados em ~78 km e exibem uma espessura 1/e Gaussiana de ~4 km e um diâmetro 1/e de ~66 km. Os halos, que também apresentam uma coloração avermelhada e cujo mecanismo de iniciação é semelhante ao dos sprites, podem ocorrer isoladamente, podem preceder ou acompanhar sprites, e por isso também são denominados sprite-halos. Antes de serem identificados como um tipo único de ELT [Wescott et al., 2001; Barrington-Leigh at al., 2001] halos eram comumente (e incorretamente) interpretados como ELVEs nos dados de imagem.

O diâmetro dos halos varia entre 50 e 70 km, e sua duração é de 2 a 10 ms [Moudry et al., 2003]. Eles se propagam para baixo, com uma velocidade média de 3,0 a 6,0×107 m/s, partindo de uma altitude média de 87 km e descendo até uma altitude média de 73 km, com centroide em ~78 km. A Figura 1 apresenta alguns exemplos dos halos observados em 18 de agosto de 1999 sobre uma tempestade no estado de Nebraska, EUA, pela equipe do Instituto de Geofísica (GI) da Universidade do Alaska Fairbanks (UAF).

Figura 1 - Exemplos de halos observados em 18 de agosto de 1999 (imagens monocromáticas). No terceiro halo pode-se ver a formação de um streamer (indicado pela seta), canal de plasma que forma os sprites. Extraído de Moudry et al. [2003].

De acordo com o modelo de Pasko et al. [1997], os halos, assim como os sprites, também são produzidos por campos quase-eletrostáticos (QE), estabelecidos após a ocorrência de relâmpagos nuvem-solo positivos (NS+). Miyasato et al. [2002], utilizando um arranjo fotométrico vertical consistindo de 16 canais que resultavam num campo de visão de 10,7º×10,7º (Figura 2, esquerda), observou 89 sprites ao longo de diversas campanhas de 1996 a 1999. Dos 89 sprites observados foram separados 35 que apresentavam alguma estrutura difusa. Após uma detalhada análise eles verificaram que: 26% dos halos ocorreram sozinhos, 3% foram precedidos por um elve, 34% além de terem sido precedidos por elves, foram sucedidos por sprites, e 37% foram sucedidos por sprites, sem elves. Isso indica que sprite-halos são tão comuns quanto, ou mais, que halos sozinhos.

Figure 2 - Sequence of events reported by Miyasato et al. [2002]. Left: image of a halo with centroid altitude estimated in ~87 km and a representation of the channel of the photometric arrange. Right: Time evolution of the signal. Extracted from Miyasato et al. [2002].

Elves

O acrônimo ELVE significa Emissões de Luz e Perturbação VLF Causada por Fontes de Pulsos Eletromagnéticos [Fukunishi et al., 1996]. Antes dos halos serem identificados como uma classe de ELTs, eles eram frequentemente confundidos com elves devido a suas formas semelhantes nos dados de imagem, embora seja fenômenos diferentes. Os halos têm o mesmo mecanismos de geração dos sprites, ionização e excitação por impacto eletrônico. Os elves, entretanto, como o nome já diz, são produzidos por Pulsos Eletromagnéticos (PEM) de relâmpagos nuvem-solo (NS), que podem ser de ambas polaridades [Inan et al., 1997; Chen et al., 2008].

Eles são caracterizados por uma expansão lateral rápida (~ 3 vezes a velocidade da luz no meio) de emissões com formato de anel que são menos intensas e ocorrem em altitudes maiores que a dos halos, na base da ionosfera noturna (~100 km de altitude). Os elves geralmente têm extensão horizontal maios que os halos e podem atingir algumas centenas de km em diâmetro. Sua duração ótica geralmente varia entre 0.5 e 5 ms, e sua luminosidade aparente é significativamente mais baixa que os sprites, quando observados do solo. A Figura 1 mostra uma sequência de imagens com uma emissão tênue na imagem central, que é um elve que precedeu o halo da imagem seguinte.

Figura 1 - Sequência de imagens com 1ms de duração, obtida em 18 de agosto de 1999. A primeira imagem mostra a atmosfera de fundo, a segunda mostra um elve e a terceira um halo. Extraído de Moudry et al. [2003].

Boeck et al. [1992] identificou o primeiro elve sobre uma tempestade na costa da Guiana Francesa, numa fita de vídeo de um experimento abordo do ônibus espacial. Apenas em 1995 foram realizadas outras medidas bem sucedidas do fenômeno, que foi assim denominado por Lyons neste mesmo ano Boeck et al. [1998]. Observações de ELTs feitas do espaço pelo experimento ‘Imageador de Sprites e Relâmpagos na Atmosfera Superior – ISUAL abordo do satélite Taiwanês FORMOSAT-2, mostradas na Figura 2, revelaram que os elves são, inesperadamente, devido a sua baixa luminosidade aparente quando observados do solo, os ELTs dominantes, com uma taxa de ocorrência estimada em 35 elves/minuto.

Os sprites e os halos têm uma taxa global de ocorrência estimada em 1 evento/minuto, e apenas 12 jatos gigantes foram observados pelo ISUAL, todos na região equatorial. Nenhum jato azul foi identificado pelo ISUAL. O ISUAL é o único equipamento em órbita, até o momento, realizando observações inequívocas de ELTs. Ele cobre 45o S a 25o N de latitude durante o verão do hemisfério norte e 25o S a 45o N de latitude durante o inverno do hemisfério norte [Chen et al., 2008]. Apenas recentemente a distribuição global de ELTs começou a ser conhecida com as observações do ISUAL. Chen et al. [2008] estimaram em 5% o impacto dos elves no conteúdo eletrônico total da ionosfera acima de zonas ativas.

Figura 2 – Distribuição global de ELTs observadas pelo ISUAL abordo do satélite FORMOSAT-2, e distribuição global de relâmpagos conforme detectada pelos imageadores OTD e LIS abordo de satélites. Note que o ISUAL é desligado quando passa por cima da maior parte da América do Sul devido à Anomalia Magnética do Atlântico Sul – SAMA. Os poucos pontos mostrados foram coletados durante os testes iniciais do equipamento e em colaboração com a nossa campanha de TLEs em 2005. Extraído de Chen et al., [2008].

Jatos Azuis, Precursores Azuis E Jatos Gigantes

O primeiro grande estudo sobre sprites iniciou-se na campanha Sprites94 [Sentman et al., 1995], foi na campanha Sprites94 que o fenômeno ganhou esse nome. Porém outro fenômeno passou a ser estudado a partir desse momento, os blue jets, ou jatos azuis [Wescott et al., 1995]. Os jatos azuis, como o próprio nome diz, são jatos de coloração azulada, de intensidade ~500 kR, que partem do topo das nuvens de tempestade, em direção a ionosfera, durando ~200-300 ms. Wescott et al. [1995] registraram 18 eventos durante a campanha Sprites94, a partir dos dados puderam concluir que os jatos têm altitude terminal de 40-50 km, que o ângulo do “cone” formado pelo jato é de cerca de 15º e que a velocidade de propagação (para cima) é de aproximadamente 100 km/h. A Figura 1 (esquerda) apresenta uma fotografia de um jato azul capturada pelo fotógrafo australiano Peter Jarver.

Existe uma série de modelos na literatura que descrevem o mecanismo de geração de blue jets, como o de Pasko et al. [1996a], baseado na hipótese que blue jets são streamers positivos, propagando-se para cima, gerados por campos quase-eletrostáticos. Tal modelo prevê as características essenciais dos blue jets: forma geométrica, velocidade, brilho e altitude terminal. Pasko et al. [1996a] propôs que os streamers positivos podem ser gerados pelo crescimento rápido de carga no topo da nuvem de tempestade, ou seja, sem associação com relâmpagos, isto concorda com as evidências observacionais da associação entre blue jets e precipitação de granizo [Wescott et al., 1995 e Wescott et al., 1996]. Uma extensão desse modelo é o proposto por Pasko e George [2002], baseado em geometria fractal tridimensional. O modelo fractal, de Pasko e George [2002], prevê a estrutura física, altitude terminal, etc., e concorda com as evidências experimentais de Wescott et al. [1998] de que a coloração azulada dos jatos é devido à emissões da segunda banda negativa do nitrogênio molecular ionizado (N2+). A Figura 1 (direita) ilustra o modelo de Pasko e George [2002].

Figura 1 - Esquerda: fotografia de um blue jet, extraída de Lyons et al. [2003]. Direita: representação do modelo de formação de blue jets de Pasko e George [2002]. Existem dois fenômenos semelhantes aos blue jets reportados na literatura: os “blue starters” e os “gigantic jets” (Figura 2). Os blue starters, ou precursores azuis, apresentam características semelhantes aos jatos azuis, porém são menores. A altitude média de terminação do precursor azul é cerca de 20 km, metade da altitude de um jato azul. Quando foi comparada a distribuição das altitudes terminais dos jatos e dos precursores, encontrou-se uma distribuição bimodal, ao invés de uma distribuição contínua, o que corrobora com a idéia de que os precursores azuis são um fenômeno diferente, provavelmente relacionado com a fase inicial dos jatos [Wescott et al., 1996].

O modelo de Pasko e George [2002] fornece um modo de distinguir os jatos dos precursores, baseado na quantidade de carga acumulada no topo da nuvem. Os gigantic jets, ou jatos gigantes, também possuem características físicas semelhantes aos jatos azuis, porém possuem altitudes terminais incrivelmente maiores, cerca de 70 km de altitude. É possível que os jatos gigantes sejam fenômenos tropicais, devido a baixa condutividade nessas latitudes, que permite com que o campo quase-eletrostático da nuvem atinja maiores altitudes [Pasko et al., 2002].

Figura 2 - Esquerda: imagem em preto e branco de um precursor azul, extraído de Wescott et al. [1996]. Direita: imagem colorida artificialmente de um jato gigante, extraída de Lyons et al. [2003].

A Importância do Estudo de Sprites e ELTs no Brasil e no Mundo

Desde o alvorecer da humanidade nós nos sentimos intrigados pelo modo como fontes de energia solar e extra-terrestres afetam o nosso planeta. O processo pelo qual o esses fluxos de energia interagem com o campo magnético da Terra, impactando a camada mais externa do planeta, a Magnetosfera, e é transferido “para baixo”, para a Ionosfera, e consequentemente para as camadas atmosféricas neutras mais baixas, têm cativado pesquisadores por várias décadas e se tornaram áreas de pesquisa bem estabelecidas.

Nos anos 60, o primeiro mecanismo de transporte “para cima” de energia produzida na camada atmosférica mais baixa, a Troposfera, foi descoberto na forma de ondas de gravidade. Os sistemas meteorológicos de tempestades, subproduto da energia solar, são as fontes mais significativas de ondas de gravidade, transporte mecânico de energia. Recentemente, em 1989, um outro processo de transporte “para cima” da energia de tempestades, dessa vez elétrico, foi descoberto e alguns anos depois denominado sprite. Desde então, novos tipos de transporte elétrico de energia para a alta atmosfera e espaço, associado às tempestades, têm sido descoberto a cada ano. Eles podem se reunidos em duas categorias: os Eventos Luminosos Transientes – ELTs; e as Emissões de Alta Energia de Nuvens de Tempestades – EAET, como os Flashes de Raios Gama Terrestres – FGTs, as emissões de raios-X, os feixes de elétrons, pósitrons e nêutrons, observados de satélite, instrumentação abordo de aviões (Figura 1), e do solo.

Figura 1 À direita, distribuição global de relâmpagos observados pelo OTD (Detector Transiente Óptico) abordo de satélite (cortesia Dr. Hugh Christian, MSFC/EUA). No meio, distribuição global de ELTs observada pelo ISUAL (cortesia Dr. Stephen Mende, UCB/EUA). À esquerda, distribuição global de FGTs observada pelo RHESSIS (cortesia Dr. David Smith, UCSC/EUA). A distribuição de relâmpagos, ELTs e FGTs estão subestimadas ou indisponíveis na América do Sul devido ao desligamento dos satélites ao passarem pela Anomalia Magnética do Atlântico Sul (AMAS), região de alta precipitação de partículas energéticas no Brasil.

Observações de satélite de ELTs e FGTs em toda a Terra demonstraram que eles são fenômenos globais com implicações desconhecidas no balanço energético total do planeta. O grupo da University of Alaska Fairbanks – UAF, EUA, foi pioneiro em explorar esse aspecto global, realizando campanhas a partir de avião nas Américas Central e do Sul em 1995. Em 2002 documentamos os primeiros eventos a partir do solo e avião sobre o Brasil [Pinto et al., 2004]. Atualmente as novas observações do espaço com o experimento MEIDEX a partir do ônibus espacial Columbia em 2003 [Yair et al., 2004], e com o imageador ISUAL a bordo do satélite tailandês FORMOSAT-2, possibilitam o mapeamento da sua taxa de ocorrência no planeta. Os ELTs sinalizam a contínua ocorrência de mecanismos complexos de trocas de energia na média/alta atmosfera, envolvendo o acoplamento de diversos processos geofísicos como ondas de gravidade, química atmosférica, física de plasmas, interações entre a atmosfera neutra e a ionosfera e possíveis efeitos magnetosféricos. As emissões de alta energia por mecanismos associados a tempestades, pouco entendidos, mostram a capacidade da Terra de transformar as altas energias extra-terrestres, recebidas continuamente, em vida na superfície do planeta e processos de baixa energia relativamente bem entendidos, e de re-emitir para o espaço pulsos com energias comparáveis a explosões de supernovas, conforme os FGTs de dezenas de MeV observados pelo satélite RHESSIS.

O nosso país é uma das regiões com maior atividade de tempestades do planeta, e potencialmente uma das regiões do globo com maior produção de ELTs e FGTs. A energia total depositada na Mesosfera (~40–90 km) por um sprite, o mais importante dos ELTs, é estimada em 1-10 MJ [Sentman et al., 2003]. Medidas fotométricas determinaram que as emissões ópticas são menos de 1% do total, a maior parte da energia é depositada em estados eletrônicos excitados ou estados vibracionais e rotacionais não-radiativos (i.e. que não emitem luz) do N2 e O2, e.g. N2(A3?u+) e O2(a1?g), que podem iniciar cadeias de reações ou ciclos catalíticos por meio de interações com espécies minoritárias que de outro modo não ocorreriam. Utilizando um modelo com dezenas de espécies atmosféricas, Sentman et al. [2000] estimou um aumento de várias ordens de magnitude da densidade dos íons negativos CO3- e CO4- e dos hidratados positivos H+(H2O)3 e H+(H2O)2 acima de tempestades (70 km) seguindo um único relâmpago. Os efeitos, que podem persistir por 10s – 1000s, seriam significativos acima de uma tempestade ativa durante várias horas. Armstrong et al. [2001] relataram aumentos significativos da densidade de NO, catalizador do ciclo do ozônio, em 60-80 km de altitude, modelando ~9000 reações com ~400 espécies, e em ~35 km, utilizando observações do satélite UARS HALOE. Eles estimaram que a produção local de NO por sprites é mais de uma ordem de magnitude maior que a pelo mecanismo global atualmente aceito.

Milhares de sprites/ELTs foram documentados nos Estado Unidos e centenas foram documentados em outros países e continentes. Em torno de 800 ELTs (maioria sprites) foram documentados no Brasil durante as três campanhas científicas, internacionais, em 2002-2003, 2005 e 2006, realizadas até então. A taxa de ocorrência global de sprites é desconhecida, mas é estimada em 200 a 25000 sprites/dia. A incerteza, mais de duas ordens de magnitude, reflete diretamente a incerteza na taxa de deposição de energia na média/alta atmosfera, ~2x108 – 2.5x1011 J/dia, demonstrando a importância dos ELTs na dinâmica do sistema atmosférico e composição da média/alta atmosfera global, devido aos processos químicos por eles gerados.

No Brasil esses efeitos seriam acentuados devido à alta incidência de tempestades no país. A presença da AMAS, atualmente sobre o território nacional geraria ainda outros estudos, inéditos, possíveis apenas no país. Tudo isso demonstra a importância de estabelecer esta nova área pesquisa científica no Brasil, iniciada em 1999 pela coordenadora do grupo e desenvolvida pelo ACATMOS.

Projetos

O grupo ACATMOS foi nucleado na Divisão de Aeronomia, Coordenação de Ciências Espaciais e Atmosféricas, do INPE por meio do projeto DEELUMINOS, financiado pelo Programa de Apoio a Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes da FAPESP, no período de 2005 a 2010.

Atualmente o grupo está desenvolvendo os estágios iniciais do projeto LEONA, e aguarda a aprovação do financiamento da FAPESP para o seu desenvolvimento pleno. O projeto, em fase de análise pela FAPESP, visa a criação da Rede Colaborativa na América Latina para a Investigação de Eventos Luminosos Transientes e Emissões de Alta Energia de Tempestades – LEONA., no período de 2005 a 2010.

DEELUMINOS

O grupo ACATMOS foi nucleado na Divisão de Aeronomia, Coordenação de Ciências Espaciais e Atmosféricas, do INPE por meio do projeto DEELUMINOS, financiado pelo Programa de Apoio a Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes da FAPESP, no período de 2005 a 2010. Abaixo se encontra o resumo do projeto, conforme submetido originalmente para a FAPESP.

TÍTULO DA INVESTIGAÇÃO:

Energia Eletromagnética na Atmosfera Superior Sinalizada por Sprites e Outros Efeitos Luminosos Transientes – DEELUMINOS

PRINCIPAL INVESTIGADOR (PI) /INSTITUIÇÃO:

Eliah Fernanda São Sabbas
Divisão de Aeronomia, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE

RESUMO DA INVESTIGAÇÃO PROPOSTA:

Este projeto visa à implementação no Brasil da nova área de pesquisa que investiga a deposição de energia eletromagnética por campos elétricos e eletromagnéticos induzidos por relâmpagos na região da Mesosfera-Termosfera-Ionosfera (MTI). Essa deposição de energia, descoberta em 1989, é sinalizada pela ocorrência de Sprites e outros Efeitos Luminosos Transientes (TLEs) na MTI. Serão realizados estudos de cunho teórico e observacional desses processos e sua relação com outros fenômenos na MTI. Estão planejados trabalhos envolvendo simulações computacionais e campanhas observacionais no Brasil e no exterior em colaboração com pesquisadores brasileiros e estrangeiros, transferindo conhecimento para o país e estreitando a colaboração com os países que realizam pesquisa nessa área. Os sprites são os mais significativos desses eventos, pois são os mais freqüentes, intensos e complexos, ocupando toda a região entre ~40-90 km de altitude e podendo chegar a ~80 km de diâmetro. Suas emissões (N2 1PG), representam menos de 1% da energia total depositada na MTI por um sprite, estimada em ~1-10 MJ. A maior parte é depositada em estados excitados, vibracionais e rotacionais não-radiativos desencadeadores de reações eletroquímicas gerando várias espécies químicas que podem ter uma contribuição significativa para a composição global da média/alta atmosfera. A América do Sul é a região com a segunda maior taxa de ocorrência de sistemas de tempestades do mundo, logo a implementação dessa nova área de pesquisa no Brasil é estratégica não apenas para o país mas para o desenvolvimento mundial da área. A PI é a primeira e única doutora brasileira no assunto, tendo iniciado essa pesquisa no país com o seu trabalho de mestrado concluído no INPE em 1999. Com doutorado concluído em 2003 sob a orientação do pesquisador que deu nome ao fenômeno Sprite, adquiriu experiência importante para o sucesso da primeira campanha no Brasil para observação do fenômeno em 2002. Seu objetivo é inserir o Brasil na comunidade científica internacional da área, produzindo conhecimento de ponta e realizando pesquisa de excelência.

LEONA

Atualmente o grupo está desenvolvendo os estágios iniciais do projeto LEONA, e aguarda a aprovação do financiamento da FAPESP para o seu desenvolvimento pleno. O projeto, em fase de análise pela FAPESP, visa a criação da Rede Colaborativa na América Latina para a Investigação de Eventos Luminosos Transientes e Emissões de Alta Energia de Tempestades – LEONA. O resumo se encontra abaixo.

TÍTULO DA INVESTIGAÇÃO:

LEONA: Rede Colaborativa na América Latina para a Investigação de Eventos Luminosos Transientes e Emissões de Alta Energia de Tempestades

PRINCIPAL INVESTIGADOR (PI) /INSTITUIÇÃO:

Eliah Fernanda São Sabbas
Divisão de Aeronomia, Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE

RESUMO DA INVESTIGAÇÃO PROPOSTA:

Este projeto visa o estabelecimento da Rede Colaborativa LEONA para estudar o acoplamento eletrodinâmico das camadas atmosféricas sinalizado por Eventos Luminosos Transientes – ELTs, e Emissões de Alta Energia de Tempestades – HEETs. Nós iremos desenvolver e instalar uma rede de câmeras controladas remotamente para a observação de ELTs em diferentes lugares na América do Sul, e um detector de nêutrons no Brasil. As câmeras permitirão construir um conjunto de dados dos fenômenos estudados neste continente. Os dois primeiros protótipos da rede já estão instalados, no Brasil e no Peru. Nós esperamos determinar a distribuição geográfica dos ELTs, sua taxa de ocorrência, morfologia, e possível acoplamento com outros fenômenos geofísicos, como a Anomalia Magnética do Atlântico Sul – SAMA. Também esperamos estudar HEETs numa região de intensa atividade elétrica, medindo as emissões de nêutrons pela primeira vez na América do Sul, e dessa forma abordar uma questão “quente” em Física, uma vez que seu mecanismo de geração é completamente desconhecido. Ademais, um detector de nêutrons tem muito mais aplicações, como o estudo da modulação solar e outros efeitos atmosféricos. Utilizando uma câmera de alta velocidade intensificada para observação de ELTs em 2 campanhas, nós esperamos ser capazes de determinar vários parâmetros do desenvolvimento espaço-temporal dos ELTs observados. A câmera foi adquirida via o projeto da FAPESP DEELUMINOS (2005-2010), que também nucleou o nosso grupo de pesquisa ACATMOS, i.e. Acoplamento Eletrodinâmico Atmosférico e Espacial. A LEONA irá nuclear essa pesquisa em outras instituições do Brasil e países da América do Sul, dando continuidade a essa importante pesquisa em nossa região. A rede de câmeras será uma ferramenta única para realizar observações de ELTs consistentes de longo termo, e de fato é o único meio de acumular um conjunto de dados para estudos climatológicos na América do Sul, uma vez que a instrumentação de satélite é desligada nessa região de modo a evitar danos devido à precipitação de partículas energéticas na SAMA. Portanto, esse projeto não é apenas um potencial marco na pesquisa de ELTs criando a rede colaborativa na América Latina e nucleando essa pesquisa localmente, é também estratégico uma vez que a rede de câmeras da LEONA será capaz de prover informação extremamente valiosa para preencher essa lacuna deixada pelos satélites. Além disso, nós tentaremos fazer observações simultâneas de HEETs, ELTs e relâmpagos pela primeira vez na história.

EQUIPE