Medições ultrarrápidas de elétrons vão revelar segredos das auroras

Com informações da Nasa - 23/04/2024

Foto de uma aurora, tirada na Groenlândia, que mostra raios estendendo-se a grandes altitudes. Esses raios são causados por partículas, principalmente elétrons e prótons, que precipitam do espaço para a atmosfera.
[Imagem: NASA/GSFC]

Medição de elétrons

Se você fizer uma pesquisa básica, ficará sabendo que as auroras boreais (Hemisfério Norte) e austrais (Hemisfério Sul) ocorrem tipicamente nas regiões da termosfera e da ionosfera conforme partículas energéticas vindas do espaço colidem com a atmosfera da Terra.

Mas a história toda é bem mais complicada e, na verdade, estamos longe de conhecer a história toda. Os elétrons energéticos que impulsionam a aurora, por exemplo, têm uma estrutura cuja dinâmica ainda não compreendemos totalmente. Muito do que sabemos sobre esses elétrons vem de instrumentos que têm limitações fundamentais em sua capacidade de amostrar múltiplas energias com alta resolução temporal.

Para superar estas limitações, a NASA está desenvolvendo uma abordagem inovadora para desenvolver um novo instrumento que irá melhorar nossas capacidades de medição dos elétrons em mais de uma ordem de grandeza, o que deverá ser o bastante para revelar novas informações sobre a incrível física que acontece dentro de uma aurora.

Os instrumentos de detecção de elétrons tipicamente se baseiam em uma técnica chamada deflexão eletrostática, que exige a alteração de uma tensão interna para selecionar diferentes energias dos elétrons a serem medidos. Instrumentos desse tipo foram utilizados em muitas missões espaciais, sendo responsáveis por quase todas as medições de elétrons in-situ feitas dentro das auroras. Eles funcionam muito bem quando observamos escalas de tempo na faixa dos segundos, ou até cerca de um décimo de segundo, mas fundamentalmente não conseguem observar escalas de tempo menores (milissegundos) devido ao tempo que leva para fazer as alterações de tensão necessárias.

Enquanto isso, observações ópticas da aurora feitas a partir do solo já demonstraram que pode haver variações espaciais e temporais muito mais rápidas, além das capacidades de observação dos instrumentos eletrônicos tradicionais.

Os ímãs do APES-360 são os retângulos laranja próximos ao meio. A abertura de entrada é um espaço entre as faixas externas verdes e vermelhas.
[Imagem: NASA/GSFC]

Primeira solução

Foi por isso que uma equipe do Laboratório de Geofísica do Centro de Voos Espaciais Goddard desenvolveu um instrumento chamado APES, sigla em inglês para "Espectrômetro de Elétrons de Precipitação Aguda", que pode medir a precipitação de elétrons dentro da aurora a uma cadência de um milissegundo.

O instrumento usa um forte campo magnético interno para separar elétrons com diferentes energias em diferentes regiões espaciais do detector. Este método permite que o instrumento meça todo o espectro de energia dos elétrons simultaneamente a uma taxa muito alta - a cada 1 milissegundo.

Como nem tudo é perfeito, foi necessário fazer um compromisso importante na concepção do APES. Para que a geometria do campo magnético funcione corretamente, o instrumento só pode observar em uma direção. Este conceito funciona bem se o objetivo for apenas medir os elétrons precipitados (descendo) na aurora, que em última instância atingem a atmosfera. Contudo, sabemos que os elétrons na aurora também se movem em outras direções - na verdade, esses elétrons contêm muitas informações sobre outros processos físicos que acontecem em lugares mais distantes do espaço.

Medição real unidirecional feita pelo APES. O gráfico todo cobre um período de 300 milissegundos. As listras vermelhas inclinadas no meio da figura estão separadas por cerca de 10 milissegundos.
[Imagem: NASA/GSFC]

Solução 360

Agora a equipe da NASA deu o passo que faltava: Para permitir a medição dos elétrons em mais de uma direção, eles desenvolveram o conceito APES-360.

O novo instrumento usa os mesmos princípios operacionais usados no APES, mas foram atualizados para acomodar uma geometria de direção multivisão, usando 16 setores diferentes para cobrir um campo de visão de 360 graus. Foram vários desafios técnicos para desenvolver o conceito, em particular o projeto eletrônico, que teve que acomodar muito mais ânodos (superfícies de detecção dos elétrons) e circuitos associados, que tiveram que ser miniaturizados.

O protótipo APES-360 que está sendo construído será testado e calibrado no próprio laboratório, e então voará em um foguete de sondagem até uma aurora ativa no inverno de 2025. Este voo fornecerá dados reais do interior da aurora que serão usados para validar o desempenho do instrumento e servirão de base para eventuais correções e futuras melhorias do projeto.

O instrumento APES-360 também está sendo projetado para caber em um formato CubeSat, para que ele possa ser usado em futuras missões para estudar auroras em altitudes maiores. O instrumento também poderá eventualmente ser utilizado em missões orbitais de longa duração, incluído em missões para estudar o clima espacial.

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