Os efeitos elétricos de uma tempestade com trovoadas não ficam restritos às camadas altas da atmosfera. Perto do solo, a atmosfera da Terra vibra sob campos elétricos intensos, capazes de acelerar partículas e arremessar eletrões de tal forma que eles acabam brilhando na forma de radiação gama.
Do topo de uma montanha na Arménia, cientistas observaram de perto esse fenómeno meteorológico ainda pouco compreendido.
No complexo de raios cósmicos do Laboratório Nacional de Ciência Alikhanyan, no Monte Aragats, o físico Ashot Chilingarian e a sua equipa vêm tentando decifrar os chamados Thunderstorm Ground Enhancements, ou TGEs.
Segundo Chilingarian, esse “reforço” eletromagnético passou batido em grande parte das investigações sobre trovoadas - mas pode ser uma peça importante para entendermos o Universo físico, desde as tempestades na Terra até os raios cósmicos que atravessam distâncias enormes no espaço.
"Todos os dias, ocorrem 40,000 tempestades. Várias redes que detetam descargas atmosféricas e satélites com instrumentos óticos precisos estão a monitorizar relâmpagos. Ainda assim, quando iniciámos a pesquisa sobre TGEs, ninguém monitorizava o enorme fluxo de eletrões de megaelétron-volt (MeV) a bombardear o nosso planeta e o espaço acima dele", disse ele ao ScienceAlert.
"Criámos a rede de detetores de partículas SEVAN há dez anos para monitorizar TGEs na Europa de Leste, Alemanha e Arménia. Aceleradores de eletrões com energias de dezenas de MeV ocupam volumes vastos da atmosfera e muitos quilómetros quadrados da superfície da Terra.
"Esse fluxo gigantesco acompanha a vida na Terra ao longo dos seus mil milhões de anos de evolução e certamente influencia todos os aspetos do geoespaço e da biosfera."
O que são os Thunderstorm Ground Enhancements (TGEs)
Os TGEs são campos elétricos na atmosfera gerados por trovoadas. Dentro desses campos, eletrões são acelerados a velocidades muito elevadas - próximas à velocidade da luz no vácuo, isto é, velocidades relativísticas.
Esse processo é conhecido como “avalanche de eletrões em fuga relativística”, impulsionada pelo campo elétrico tanto em direção ao solo quanto para cima, rumo à atmosfera. São esses eletrões acelerados que dão origem à radiação.
Quando desaceleram de modo abrupto - por exemplo, ao serem desviados numa colisão com um núcleo atómico do ar - a energia perdida aparece como raios gama, num tipo de emissão chamado radiação de bremsstrahlung (radiação de travagem).
O que a rede SEVAN registou nas trovoadas de 2023
Com a sua rede de detetores, Chilingarian e os colegas reuniram dados de trovoadas por toda a Europa em 2023, fazendo medições detalhadas dos eletrões e da radiação gama observados durante os 56 TGEs intensos que registaram.
Os TGEs mais intensos ocorreram principalmente entre maio e julho, e o mais forte foi medido no Monte Lomnický štít, na Eslováquia, em maio. Nesse único episódio, o fluxo de partículas chegou a 100 vezes o nível normal em condições de “tempo bom”. No total, houve sete eventos em que o fluxo ultrapassou o valor de tempo bom em mais de 75%.
"Nós medimos o fluxo estável de eletrões na superfície da Terra, cobrindo cem mil metros quadrados. Algum mecanismo fornece essa estabilidade por um minuto ou mais", explicou Chilingarian.
"Um enorme feixe de eletrões surge dentro da nuvem de trovoada, onde a estrutura de cargas muda numa escala de segundos. As descargas atmosféricas anulam a diferença de potencial, mas o fluxo permanece estável. Foi empolgante medir isso!"
Campo elétrico mais baixo do que o esperado
De forma inesperada, a equipa também concluiu que o campo elétrico fica muito mais próximo do chão do que se imaginava. Eles mediram uma intensidade de campo forte até 50 metros (164 pés) acima do solo.
"Essa descoberta foi espantosa para meteorologistas, que não acreditaram até apresentarmos provas exaustivas", observou Chilingarian.
A regularidade da aceleração - capaz de sustentar o fluxo de partículas por até vários minutos - e a baixa altitude do campo elétrico revelam detalhes novos sobre a estrutura dos campos elétricos atmosféricos e sobre as trovoadas, que antes não eram conhecidos.
Por exemplo, os TGEs podem abrir um caminho pelo qual descargas de relâmpago consigam alcançar o solo. Além disso, o papel desse fenómeno na geofísica ainda precisa ser investigado. Para apoiar a comunidade científica, os investigadores disponibilizaram uma base de dados de TGEs de acesso aberto para exploração e análise.
A pesquisa com tempestades é apenas uma parte do trabalho realizado no Aragats. Neste ano, o Sol entrou num período de agitação à medida que se aproxima do máximo solar, o auge do seu ciclo de atividade, lançando partículas para o espaço impulsionadas por ejeções de massa coronal.
Chilingarian e os colegas também detetaram eventos solares com o equipamento instalado no cume, publicando três artigos e preparando um quarto.
"Explosões violentas na nossa galáxia também enviam partículas de energia ultra-alta para o Sistema Solar. Recentemente, foram descobertos Pevatrons, fontes de raios gama de 1015 eV. Nós analisámos criticamente essa descoberta com base no nosso conhecimento da física atmosférica", disse Chilingarian ao ScienceAlert.
"A sinergia entre aceleradores atmosféricos, espaciais e solares é importante para compreender a natureza!"
Os resultados devem ser publicados em Physical Review D.
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