Mesmo em um ambiente aparentemente caótico como a turbulência do vento solar, cientistas encontraram uma estrutura que se repete de forma surpreendentemente organizada.
Dados de alta precisão da Parker Solar Probe, da NASA, revelaram que as flutuações do campo magnético no vento solar mudam o sentido de sua rotação dependendo da escala observada. Em estruturas maiores, o campo apresenta preferência por uma direção; quando os pesquisadores passam a observar escalas menores, a rotação se inverte.
O resultado foi publicado nesta terça-feira (13) no The Astrophysical Journal Letters por uma equipe internacional liderada por pesquisadores da Universidade Técnica de Braunschweig, na Alemanha, e com participação de instituições de dez países.
A descoberta chama atenção porque a inversão aparece justamente numa região pouco compreendida da física do plasma: a passagem entre escalas nas quais ele se comporta aproximadamente como um fluido e outras nas quais o movimento individual das partículas passa a ser importante.
O vento solar está longe de ser um vento comum
O vento solar é um fluxo contínuo de partículas eletricamente carregadas lançado pela atmosfera do Sol e espalhado por todo o Sistema Solar.
Diferentemente do ar da atmosfera terrestre, esse material é um plasma. Suas partículas interagem intensamente com campos elétricos e magnéticos e, devido à baixíssima densidade, colisões diretas entre elas são relativamente raras.
Isso torna a turbulência espacial bastante diferente daquela observada quando o ar encontra um obstáculo ou quando um líquido é agitado.
Em escalas maiores, porém, os físicos ainda conseguem descrever boa parte do comportamento do plasma como se ele fosse um fluido magnetizado. Essa descrição é conhecida como magnetohidrodinâmica, ou MHD.
Em escalas suficientemente pequenas, essa aproximação começa a falhar. É necessário considerar o comportamento das partículas individualmente, o chamado regime cinético.
Foi justamente na fronteira entre esses dois mundos que apareceu a nova estrutura.
Campo magnético troca o sentido da rotação
Os cientistas analisaram medições extremamente rápidas do campo magnético e das partículas obtidas pela Parker Solar Probe enquanto a nave atravessava o vento solar próximo ao Sol.
O que eles encontraram pode ser imaginado como uma mudança no sentido de uma torção. Quando as estruturas turbulentas são observadas em escalas maiores e olhando radialmente para longe do Sol, os campos magnéticos apresentam preferência por uma rotação anti-horária.
Em escalas menores, porém, ocorre o contrário: aparece uma preferência por rotação horária. Não significa que todo o campo magnético ao redor do Sol esteja literalmente girando como uma hélice rígida. O que os pesquisadores medem é uma propriedade estatística das flutuações magnéticas conhecida como helicidade magnética.
A helicidade descreve, de maneira simplificada, quanto as linhas de um campo magnético estão torcidas, enroladas ou interligadas.
A inversão também muda à medida que o vento se afasta do Sol
A equipe encontrou ainda outra característica: o ponto no qual ocorre essa inversão não permanece fixo. À medida que o vento solar se afasta do Sol, a região característica associada à mudança da helicidade migra progressivamente para escalas maiores, ou comprimentos de onda mais longos.
Os dados mostram, portanto, que a estrutura magnética continua evoluindo enquanto é transportada pelo vento solar. Isso é importante porque uma das ideias clássicas da turbulência envolve a chamada cascata de energia.
Em fluidos comuns, grandes estruturas turbulentas tendem a transferir energia para estruturas cada vez menores, até que ela seja dissipada.
Com certas grandezas do campo magnético, entretanto, também podem ocorrer processos na direção oposta: estruturas inicialmente pequenas podem contribuir para a formação de estruturas maiores.
Uma versão anterior da pesquisa, disponibilizada como preprint, já apontava evidências de uma cascata inversa de helicidade magnética no interior da heliosfera, com análise de dados da Parker Solar Probe em mais de 500 posições heliocêntricas. arXiv
O artigo agora publicado e revisado por pares mostra que essa evolução atravessa justamente a interface entre os regimes magnetohidrodinâmico e cinético.
Há ordem escondida dentro do caos
Esse é provavelmente o ponto mais curioso do trabalho. Turbulência costuma ser associada a movimentos aparentemente aleatórios. Mas os dados revelaram que, dentro dessas flutuações, existe uma organização estatística persistente.
O pesquisador Masatomi Iizawa, primeiro autor do estudo, resume que a equipe encontrou uma estrutura clara no espectro mesmo em um sistema caracterizado por movimentos desordenados.
Isso sugere que a passagem entre o comportamento coletivo do plasma e a física das partículas contém mecanismos ainda pouco explorados pelas teorias tradicionais da turbulência.
Por que entender isso importa?
A turbulência do plasma não acontece apenas no vento solar. Processos semelhantes aparecem na magnetosfera da Terra, em erupções solares, no espaço entre planetas e até nos discos de matéria que cercam determinados objetos astrofísicos.
No Sistema Solar, compreender melhor esse comportamento também pode ajudar a aperfeiçoar modelos de clima espacial.
Perturbações transportadas pelo vento solar podem interagir com o campo magnético terrestre e participar de eventos que produzem auroras e, em casos extremos, afetam satélites, comunicações, navegação e redes elétricas.
Os pesquisadores destacam que a turbulência pode modificar ondas de choque e estruturas magnéticas transportadas por eventos solares. Isso não significa, porém, que a descoberta já permita prever tempestades geomagnéticas com maior precisão; trata-se de conhecimento fundamental que poderá alimentar modelos futuros.
Pesquisa tem participação ligada ao Brasil
O trabalho também possui uma conexão brasileira. Entre os autores está o físico Abraham C.-L. Chian. O conjunto de dados e código publicado pela própria equipe lista Chian com afiliações à Universidade de Adelaide, na Austrália, e ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), em São José dos Campos.
O estudo, intitulado Nonlocal Evolution of Magnetic Helicity across the Magnetohydrodynamic–Kinetic Interface, foi publicado no The Astrophysical Journal Letters, com DOI 10.3847/2041-8213/aea84b.
