Convecção Magnetosférica e Camada de Blindagem

A convecção magnetosférica refere-se ao fluxo global de plasma do vento solar em torno da magnetosfera, uma vez que denomina a circulação convectiva de um fluido aquecido. Nos primeiros estudos do ambiente espacial próximo à Terra, observou-se que a reconexão magnética e outros processos de acoplamento, como interação viscosa, causariam arrasto entre a magnetosfera terrestre e o fluxo do vento solar, forçando a camada externa da magnetosfera a fluir no sentido oposto ao Sol (DUNGEY, 1961; AXFORD e HINES, 1961 citados por WOLF et al., 2007). Isto requer um fluxo de retorno no sentido do Sol, no interior das linhas de campo fechadas da magnetosfera (Figura 2.15).

Figura 2.15. Esquema da convecção magnetosférica produzida na magnetosfera fechada por forças viscosas, como idealizado por Axford e Hines.

FONTE: Stern (1996).

As linhas de campo magnético na camada limite da lâmina de plasma são distorcidas do formato de um dipolo para produzir a cauda magnética, que se estende a uma longa distância da Terra. Essa geometria magnética possui uma tensão que exerce forças no plasma. Associadas ao gradiente de pressão e à diferença de potencial aplicada na magnetosfera pelo fluxo do vento solar, essas forças produzem um movimento do plasma magnetosférico na direção solar, na região de linhas de campo fechadas, ou seja, é gerado um fluxo de retorno da cauda magnetosférica em direção ao lado noturno terrestre e em direção ao Sol. O fluxo de retorno da convecção magnetosférica é responsável por gerar o campo elétrico amanhecer-crepúsculo existente na cauda magnetosférica (gerado através do mecanismo de dínamo magnetosférico, expresso pela equação 2.3). O campo elétrico magnetosférico amanhecer-crepúsculo é mostrado na Figura 2.16, em que é esquematizada também a camada de blindagem, formada pelas cargas de blindagem segundo a dinâmica que será descrita nos próximos parágrafos.

Figura 2.16. Campos elétricos de origem magnetosférica (amanhecer-crepúsculo) e no interior da camada de blindagem (crepúsculo-amanhecer).

FONTE: Adaptado de de Kelley (1989).

À medida que o plasma magnetosférico flui em direção à Terra, no lado noturno, as partículas são submetidas a forças devidas ao gradiente e curvatura do campo magnético terrestre, além das forças que causam o movimento de giro destas partículas. Uma vez que o gradiente e as forças de tensão são equivalentes à força de Lorentz J B

r r

× (onde

J r

é a densidade de corrente), a física requer a existência de correntes elétricas. A Figura 2.17 mostra a configuração de campos e correntes elétricas na ionosfera e magnetosfera em uma vista polar. Na cauda, ou lâmina neutra, flui a corrente J_T

r

para assegurar o rotacional imposto pela geometria distendida do campo magnético. A corrente da cauda é fechada principalmente na bainha magnética por correntes que fluem na magnetopausa. A corrente de anel J_R

r

flui em circunferências fechadas ao redor da Terra em distâncias entre 2 e 10 raios terrestres.

Figura 2.17. Diagrama esquemático das correntes e campos elétricos existentes no sistema magnetosfera-ionosfera, os quais resultam do campo magnético alongado na cauda da magnetosfera e da interação entre o vento solar e o campo magnético terrestre.

FONTE: Adaptado de Kelley (1989).

Como já dito anteriormente, na convecção magnetosférica em direção ao Sol, no lado noturno da magnetosfera fechada, as partículas são submetidas à ação de forças devidas ao gradiente e curvatura do campo magnético. O resultado é uma separação zonal de cargas, formando a corrente de anel, onde os prótons derivam na direção do crepúsculo (oeste) e os elétrons na direção do amanhecer (leste), criando um campo elétrico na magnetosfera interna que aponta do crepúsculo para o amanhecer, o qual tende a cancelar o campo elétrico interplanetário amanhecer-crepúsculo. Desta forma, a magnetosfera interna fica blindada contra o campo elétrico interplanetário e o fluxo de plasma em torno desta região, ficando assim configurada a camada de blindagem da magnetosfera interna. Quaisquer divergências nas correntes citadas anteriormente devem ser fechadas pelas correntes alinhadas ao campo magnético que atravessam a

ionosfera. A parcela da corrente da cauda e da corrente de anel, que é conectada através da ionosfera, é chamada de corrente de anel parcial, JPR

r

. As correntes alinhadas ao campo (Field-Aligned Currents – FACs), denominadas R2 na Figura 2.17, que fecham a corrente de anel parcial, são chamadas de correntes da região-2 e ligam a magnetosfera interna à oval auroral em sua extremidade equatorial e constituem, também, a camada de blindagem. As correntes da região-1, identificadas como R1 na Figura 2.17, conectam a porção polar da oval auroral e a calota polar à bainha magnética (magnetosheath), ao vento solar ou à camada limite do plasma próxima à magnetopausa. As correntes R1 e R2 são denominadas também correntes de Birkeland. A Figura 2.18 mostra com mais detalhes a corrente de anel parcial e as correntes das regiões-1 e -2 na oval auroral. Em seguida, será discutida a formação dos campos elétricos Ea

r

(campo elétrico na oval

auroral) e E_pc r

(campo elétrico na calota polar), mostrados na Figura 2.17.

Na figura 2.19 é mostrado o mapeamento do campo elétrico magnetosférico para a região auroral, por meio das linhas de campo magnético. O campo elétrico E_⊥

r

corresponde ao campo E_a r

da Figura 2.17. A alta condutividade paralela ao campo magnético da Terra, σ0, possui importantes implicações acerca da transmissão de campos elétricos por grandes distâncias ao longo de B

r

. Qualquer campo elétrico gerado em altitudes ionosféricas pode ser transmitido ao longo das linhas de campo magnético até grandes altitudes. Por exemplo, um campo elétrico gerado em 60° de latitude magnética pode ser comunicado ao plano equatorial em uma altitude de aproximadamente 25.000 km. Da mesma forma, campos elétricos do vento solar ou de origem magnetosférica podem ser transmitidos para altitudes ionosféricas. Uma conseqüência dos cálculos utilizados nessa teoria é que os campos elétricos perpendiculares a B

r

mapeiam-se por longas distâncias ao longo das linhas de campo magnético da Terra.

Figura 2.18. O diagrama da esquerda é uma esquematização baseada na teoria de uma corrente de anel parcial na magnetosfera interna; o Sol está à esquerda. O diagrama da direita sumariza as observações iniciais das correntes de grande escala de Birkeland sobre a ionosfera do hemisfério norte; o crepúsculo está à esquerda. Nota-se que as correntes na porção equatorial da oval auroral (correntes da região-2) estão entrando na ionosfera no lado do crepúsculo e saindo da ionosfera no lado do amanhecer.

FONTE: Adaptado de Wolf et al. (2007).

Figura 2.19. Mapeamento dos campos elétricos magnetosféricos para a região auroral. FONTE: Adaptado de Kelley (1989).

Na Figura 2.20 é mostrada a configuração da magnetosfera para o caso em que o campo magnético interplanetário (IMF) aponta para o sul, onde ESW

r

e VSW r

são,

respectivamente, o campo elétrico interplanetário (campo E r

dado pela equação 2.3) e a velocidade do plasma solar (velocidade V

r

considerada na equação 2.3). O campo elétrico interplanetário também é formado pelo processo de dínamo magnetosférico. Quando o IMF aponta para o sul, o campo elétrico interplanetário aponta para fora da página na Figura 2.20. Supondo que os campos elétricos mapeiam-se ao longo das linhas de campo magnético, a ionosfera polar também será alvo de um campo elétrico, o que é mostrado na Figura 2.21. O campo elétrico E_I

r

mostrado nas Figuras 2.20 e 2.21

representa o campo E_pc r

mostrado anteriormente, na Figura 2.17.

A camada de blindagem explicada anteriormente é também chamada de camada de Alfvén (KELLEY, 1989). A camada de Alfvén é definida como a separação entre as regiões contendo fluxos de partículas de trajetórias “abertas”, na magnetosfera externa, e de trajetórias fechadas, mais próximas à Terra e em torno dela, na magnetosfera interna (WOLF et al., 2007).

Figura 2.20. Conexão e reconexão entre o campo magnético terrestre e o IMF, quando este aponta para o sul, vista no plano meio-dia/meia-noite. ESW é o campo elétrico interplanetário e EI é o campo elétrico mapeado para a ionosfera através das linhas do campo magnético.

Figura 2.21. Representação esquemática da conexão entre o dínamo do vento solar e o circuito ionosférico.

FONTE: Adaptado de Kelley (1989).

Na Figura 2.20 também é mostrado o fenômeno de reconexão magnética, que ocorre quando o IMF aponta para sul (mais comumente durante tempestades magnéticas), e as linhas do campo magnético interplanetário conectam-se às linhas do campo geomagnético (regiões 2 e 5 mostradas na Figura 2.20). Essa conexão entre os dois campos (interplanetário e geomagnético) na magnetopausa diurna permite a entrada de partículas e energia do plasma do vento solar na calota polar, configurando algumas perturbações características da região polar durante tempestades magnéticas, como o aquecimento termosférico na região da oval auroral, que gera o mecanismo de dínamo perturbado na ionosfera, e também as auroras que ocorrem devido à colisão das partículas do vento solar com os constituintes neutros atmosféricos, causando sua excitação e posterior emissão de radiação no espectro visível.

Em períodos calmos na magnetosfera, a camada de blindagem impede que os campos elétricos magnetosféricos impressos na calota polar penetrem na ionosfera de médias e baixas latitudes. Durante períodos perturbados, a camada de blindagem deixa de ser eficiente e a penetração de campos elétricos persiste até que a blindagem seja restabelecida. Otempo característico para restabelecimento da camada de blindagem pode durar de 30 minutos (SENIOR e BLANC, 1984) até cinco horas (JAGGI e WOLF,

1973). Em seguida, serão discutidos os casos de penetração de campos elétricos durante períodos magneticamente perturbados.

2.4.3. Penetração de Campos Elétricos Durante Períodos Perturbados