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Temporada de detecção de sprites com a Rede LEONA bate recorde de noites com observação

São José dos Campos-SP, 07 de novembro de 2019

Pesquisadores do grupo Acoplamento Eletrodinâmico Atmosférico e Espacial (ACATMOS), liderado pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), registraram diversos sprites sobre nuvens de tempestade, desde que iniciaram, em setembro, uma campanha científica para coleta de dados. Os sprites são fenômenos de plasmas atmosférico-espaciais gerados a partir de campos elétricos de nuvens de tempestade e relâmpagos. São de curta duração, de baixa luminosidade e suas emissões óticas são detectáveis apenas durante a noite.

Segundo a pesquisadora do INPE, Eliah São Sabbas, responsável pelas observações, esta está sendo a melhor temporada de registro desses fenômenos, desde o início dos anos 2000, quando se iniciaram as primeiras campanhas científicas deste tipo pelo INPE.

Os sprites foram descobertos em 1989 e são fenômenos que integram os Eventos Luminosos Transientes (ELTs), que ocorrem acima das nuvens de tempestade, em altitudes entre 15 e 105 km, na média e alta atmosfera. "Os sprites são os tipos mais espetaculares de ELTs. São os mais fáceis de serem observados e identificados com equipamentos no solo", afirma a pesquisadora Eliah São Sabbas, coordenadora da campanha e responsável pela linha de pesquisa ACATMOS, estabelecida no INPE em 2005.

Os primeiros sprites da campanha foram observados a partir da estação do Observatório Espacial Sul (OES), do INPE, no Rio Grande do Sul, durante tempestades cobrindo toda a região sul do País, Uruguai e parte da Argentina, nas madrugadas de 1 e 2 de outubro. No mesmo período também foram registrados sprites sobre outra grande tempestade no estado do Mato Grosso, detectados pela mais nova estação da Rede LEONA, no campus da Universidade Federal de Jataí, em Goiás. O fenômeno foi registrado também em outros momentos durante o mês de outubro.

Dezenas de horas de dados de vídeo ainda serão analisadas para verificar se foram registrados outros tipos de ELTs. A partir dessa etapa, serão extraídos os parâmetros de cada evento para então se iniciar os estudos científicos dos fenômenos observados, explica São Sabbas. A expectativa é de que até o final da campanha seja obtido um grande conjunto de dados a ser analisado.

Os sprites foram detectados com as estações de observação da Rede Colaborativa para a Investigação de Eventos Luminosos Transientes (ELTs) e de Emissões de Alta Energia de Tempestades (ALETs): Rede LEONA. Os dois tipos de fenômenos (ELTs e ALETs) formam o que vem sendo chamado de FADAS, sigla para: EFeitos Sinalizadores do Acoplamento EletroDinâmico Atmosférico e Espacial.

Os sprites, associados às outras FADAS, podem ser indicadores (proxies, do inglês) de mudanças climáticas, além de ampliá-las. "Se, por exemplo, a temperatura da atmosfera do planeta aumenta, o número de tempestades e relâmpagos também tende a aumentar em determinadas áreas, o mesmo ocorrendo em relação à produção de FADAS nessas regiões", explica a pesquisadora do INPE.

A maior produção de sprites, devido ao aumento da temperatura e das tempestades, pode também potencializar o aumento da destruição da camada de ozônio. Gases que participam do ciclo natural da quebra do ozônio são produzidos normalmente por sprites na alta atmosfera (~50-100 km). Alguns meses depois esses gases migram para a região de ozônio (~35 km de altitude) e lá podem, em quantidade aumentada, potencializar a redução da camada de ozônio, que é provocada por poluentes atmosféricos.

As ALETs, outro tipo de FADAS, por serem radiação ionizante, por exemplo, raios gama, podem afetar a saúde humana, quer as pessoas estejam no solo, sejam passageiros e tripulações de avião, ou astronautas na estação espacial.

As FADAS também podem ter um impacto localmente significativo no clima espacial. Elas podem interferir em sinais de satélites de comunicação e impactar atividades que dependem de sistemas de posicionamento global em regiões com alta incidência de tempestades e FADAS. Estes fenômenos alteram a ionosfera, meio pelo qual os sinais de satélites são transmitidos, podendo chegar com interferências aos receptores, na superfície e nos aviões.

Segundo a pesquisadora do INPE, além da importância em se realizar pesquisa básica sobre FADAS, para compreender fenômenos naturais existentes desde que o planeta tem nuvens, ou seja há bilhões de anos, mas só descobertos há 30 anos, os impactos provocados pelas FADAS reforçam a importância de se investir em pesquisas nesse campo. Os conhecimentos gerados podem ser utilizados para mitigar e prevenir esses efeitos. Por outro lado, aponta a pesquisadora, as pesquisas também podem colaborar com o aperfeiçoamento de modelos de previsão de tempo e de tempestades severas, bem como de clima espacial.

A campanha de observação com a Rede LEONA irá se estender até dezembro com cinco estações de observação de ELTs no Brasil e três na Argentina. Cada estação é composta de câmeras de vídeo de alta sensibilidade à luz, entre outros equipamentos para observação de ELTs.

As estações podem observar regiões fronteiriças entre a atmosfera acima dos topos de nuvens de tempestades e o espaço exterior, próximo à Terra, com um alcance máximo que varia de acordo com a localização, entre 400 km e 1.100 km. A Rede LEONA conta ainda com uma estação de detecção de ALETs com um detector de nêutrons.

"Esse importante projeto do INPE, de criação e desenvolvimento da Rede LEONA, foi iniciado em 2012", destaca São Sabbas. O núcleo da Rede LEONA, com apenas quatro estações, foi estabelecido em 2015. A expectativa é de que a LEONA cubra toda a América Latina.

Grupos de sprites observados com câmeras de vídeo da Rede LEONA a partir da Estação do Observatório Espacial Sul do INPE, sobre duas tempestades em outubro de 2019, que cobriram o sul do estado do Rio Grande do Sul e regiões do Uruguai e da Argentina. (a) Sprites do tipo coluna apresentando uma região difusa no topo, denominada cabeleira, registrados em 11-12/10/2019. (b) Sprites do tipo cenoura, registrados em 12-13/10/2019. (Crédito: INPE)

Imagem do Painel de Monitoramento da Rede LEONA mostrando a tempestade geradora de ELTs na madrugada de 1-2/10/2019, cobrindo o sul do Rio Grande do Sul, Uruguai e parte da Argentina. As cores são um realce da temperatura do topo das nuvens, que nessas tempestades chegou a -80º C, resultado de convecção extremamente intensa. Os símbolos vermelhos indicam relâmpagos positivos e os demais, relâmpagos negativos e intra-nuvem. (Crédito: INPE)

Imagem de sprites gerados por um relâmpago de uma nuvem de tempestade sobre El Salvador, em 2015. Registro feito por astronautas a bordo da Estação Internacional Espacial em cores reais. (Fonte: NASA, com adaptações)

Fotografias com câmera de alta definição em cores reais de sprites sobre uma tempestade na Espanha, em setembro de 2019. Fonte: Stephane Vetter (TWAN) (https://apod.nasa.gov/apod/ap191008.html).

As FADAS

A FADAS são compostas por duas classes de fenômenos: Os Eventos Luminosos Transientes (ELTs) e as Emissões de Alta Energia de Tempestades (ALETs), como por exemplo, os flashes de Raios Gama Terrestres (FGTs). Os ELTs são plasmas atmosférico-espaciais visíveis apenas a noite e são gerados por nuvens de tempestades e atividade elétrica de relâmpagos. Ocupam toda a extensão da região situada entre o topo das nuvens de tempestades (entre 15 e 20 km de altitude) e altitudes entre 100-105 km, penetrando a ionosfera noturna, região de Espaço próximo ao planeta.

Os ELTs mais conhecidos são os sprites, halos, jatos azuis, jatos gigantes e elves e estão representados na figura abaixo. A duração desses fenômenos varia de microssegundos a 300 milésimos de segundo, ou seja, menos que um piscar de olhos, e a luminosidade deles é tão baixa que os olhos humanos não conseguem captar. Pouquíssimos são visíveis a olho nu. Para observá-los, os cientistas utilizam câmeras de vídeo altamente sensíveis à luz.

Ilustração em escala dos principais ELTs conhecidos até o momento, utilizando cores falsas: sprites, halos, jatos azuis, jatos gigantes e elves (Fonte: cortesia da equipe do microssatélite francês em desenvolvimento TARANIS).

Já as ALETs, emissões de alta energia também geradas pelos relâmpagos ou pelos intensos campos elétricos das nuvens de tempestade, têm duração curta tal como ou menor que os ELTs, e podem ser fótons, ou seja, luz, como as emissões de Raios X e de Raios Gama, chamadas de FGTs ou "Brilhos" (glows, do inglês), ou partículas com massa, como emissões de nêutrons, elétrons e até pósitrons, que são antimatéria. Esses fótons e as partículas, que não são visíveis e medidos com detectores específicos, possuem energias altíssimas (~20 keV – 100 MeV), equivalentes a de fótons e partículas produzidas em explosões de estrelas, conhecidas como supernovas.

De uma forma ainda não compreendida totalmente pelos cientistas, a atmosfera do nosso planeta produz fenômenos comparáveis a eventos astrofísicos gerados a dezenas ou milhares de anos luz daqui.

A Rede LEONA

A Rede LEONA, projeto do INPE, foi criada entre 2012 e 2015, também com o apoio da FAPESP, a partir de um projeto do Programa de Auxílio Regular, o projeto LEONA. Com a Rede LEONA hoje é possível fazer observações remotas através da internet, o que facilita bastante o processo de observação e de coleta de dados. "Ainda precisamos passar a noite acordados", diz o mestrando do ACATMOS, José Velarde, "mas já dá para ser em casa confortavelmente", completa o pós-doutorando do INPE, Carlos Villalobos.

A Rede LEONA conta atualmente com uma estação de detecção de ALETs com um detector de nêutrons e oito de observação de ELTs ativas na América do Sul (Figura abaixo): em Cuiabá (MT), Jataí (GO), São José dos Campos (SP), Fraiburgo (SC), São Martinho da Serra (RS), La Maria (Argentina), Anillaco (Argentina) e Chamical (Argentina).

Imagem do satélite GOES 16 adaptada mostrando, em pontos e círculos em vermelho, a localização das estações de Observação de ELTs, da Rede LEONA, em diversos pontos do Brasil e Argentina. A região de cobertura atual da rede na América do Sul é a área total dentro dos círculos verdes, que representam o alcance máximo das estações e variam entre 400 a 1.100 km; em círculos amarelos, observa-se também seus alcances médios. A imagem mostra ainda, em tons de vermelho a preto, nuvens de tempestade capazes de produzir FADAS; os símbolos vermelhos e verdes indicam relâmpagos e os tons cinza, entre outras cores, nuvens diversas. (Crédito: INPE)

Cada estação LEONA para observação de ELT pode monitorar a atmosfera e regiões de espaço próximo à Terra sobre nuvens de tempestades com um alcance máximo que varia entre 400 km e 1.100 km, de acordo com a localização.

As três estações da Argentina foram instaladas pela pesquisadora, Eliah São Sabbas, do INPE, com a ajuda de colaboradores locais, entre novembro e dezembro do ano passado (http://www.inpe.br/noticias/noticia.php?Cod_Noticia=4983), durante a participação no projeto internacional RELÂMPAGO (https://sites.google.com/illinois.edu/relampago/home), que reuniu mais de 100 pesquisadores de instituições da Argentina, Brasil e Estados Unidos. Com essas estações foram observadas mais de 200 FADAS (ELTs). Os dados da estação de ALETs, temporariamente instalada na Argentina durante o período da campanha, estão sendo analisados para verificar se também houve detecção de nêutrons.

O grupo de pesquisa Acoplamento Eletrodinâmico Atmosférico e Espacial (ACATMOS)

O ACATMOS foi nucleado na Divisão de Aeronomia, do INPE, em 2005 com o apoio da FAPESP, a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, com o projeto DEELUMINOS, financiado pelo Programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes entre 2005 e 2010. O projeto possibilitou a documentação de mais de 700 ELTs durante campanhas científicas anuais, realizadas com pesquisadores em campo, por períodos de um a dois meses.

Atualmente o ACATMOS conta com colaboradores de quatro coordenações do INPE (Ciências Espaciais e Atmosféricas, Ciência do Sistema Terrestre, Engenharia e Tecnologias Espaciais e Laboratórios Associados), além de colaboradores do Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA) e do Instituto de Estudos Avançados (IEAv), ambos do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial (DCTA).

O ACATMOS é o primeiro e único grupo na América Latina que estuda o acoplamento eletrodinâmico atmosférico e espacial, indicado pelos Efeitos da Atividade Elétrica de Sistemas Convectivos (FADAS).

Como resultado direto da intensa atividade elétrica dos sistemas convectivos, das tempestades, as FADAS contribuem para estabelecer o balanço energético do planeta, e podem ter impactos significativos no Sistema Atmosférico e na Biosfera da Terra.

Juntamente com os relâmpagos, as FADAS geram efeitos na ionosfera, região da atmosfera entre 60 e 1.000 quilômetros de altitude, e na Magnetosfera, região da atmosfera na qual o campo magnético da Terra controla a dinâmica das partículas carregadas (acima de 1.000 km). As FADAS também sinalizam o acoplamento eletrodinâmico de todas as camadas atmosféricas e do próprio Sistema Atmosférico com o espaço próximo à Terra: área de pesquisa na qual o grupo ACATMOS é especialista.

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