Eventos luminosos transitórios (TLEs) na ISS: como o ASIM revela relâmpagos invisíveis

A maioria das pessoas só conhece tempestades pelo estrondo do trovão e pelo clarão do relâmpago vistos do chão. Só que, bem acima das nuvens, existe uma atividade intensa na alta atmosfera que permanece invisível para quem está na superfície.

Muito mais alto, em ar rarefeito a até cerca de 89 km de altitude, explodem “fogos de artifício” eléctricos de cores marcantes - fenómenos que, na prática, só são observados por astronautas em órbita a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS).

Esses espectáculos rápidos - jatos azuis, sprites vermelhos, halos violetas e anéis ultravioleta - formam o grupo dos chamados eventos luminosos transitórios, ou TLEs.

Durante décadas, foi difícil estudá-los de forma sistemática: apareciam principalmente em relatos de pilotos e, de vez em quando, numa fotografia captada por acaso.

A ISS mudou esse cenário ao oferecer um ponto de observação desobstruído, acima das tempestades, onde câmaras e sensores especializados conseguem registar cada faísca que dura apenas um instante.

Aos poucos, os investigadores estão a perceber que o que ocorre nessa camada “escondida” pode sacudir transmissões de rádio, influenciar a segurança da aviação e até alterar a química das camadas superiores da atmosfera.

Laboratório de tempestades acoplado à ISS

O principal instrumento dessa vigilância é o Atmosphere–Space Interactions Monitor. O ASIM, desenvolvido pela Agência Espacial Europeia (ESA), está fixo numa plataforma externa da ISS desde 2018.

A missão é directa: observar a Terra e registar lampejos menores do que uma unha e mais rápidos do que um bater de olhos.

As câmaras de alta velocidade e os fotómetros do monitor já entregaram mais do que os cientistas esperavam.

Os dados indicam que certas descargas, semelhantes a relâmpagos, no topo de uma nuvem de tempestade conseguem injetar energia electromagnética na ionosfera e acender um imenso anel de luz ultravioleta chamado ELVES.

Esses anéis podem aumentar a carga na ionosfera por centenas de quilómetros, com potencial para interferir em sinais de rádio de longa distância.

O ASIM também reuniu um catálogo de descargas de corona ultrabreves - impulsos tão curtos que, muitas vezes, escapam a instrumentos instalados no solo.

Ao medir o tempo e ao analisar essas coronas, os investigadores começam a compreender como as regiões superiores das nuvens “preparam o terreno” para a ocorrência de relâmpagos completos.

Fenómeno estranho dos “sprites vermelhos”

Um fenómeno intrigante conhecido como “sprites vermelhos” surge de forma aleatória na mesosfera, pendendo como medusas de cabeça para baixo por apenas dez milissegundos. Já os jatos azuis disparam do topo das nuvens em direcção à estratosfera com uma urgência silenciosa e inquietante.

Como ambos acontecem muito alto e em frações de segundo, durante muito tempo foi quase impossível capturar detalhes. Ainda assim, o ASIM consegue detectá-los a partir da órbita.

Num estudo, as imagens do instrumento, combinadas com medições feitas a partir do solo, permitiram determinar a altitude de um único jato azul. O resultado reforçou que essas descargas ascendentes realmente atravessam a camada meteorológica que nos é mais familiar.

Essas medições entram directamente em modelos de electrificação de tempestades, que, por sua vez, sustentam orientações para a aviação sobre onde campos eléctricos perigosos podem estar presentes.

Tripulação da ISS regista sprites vermelhos em órbita

A cúpula da ISS - o domo de observação com sete janelas, frequentemente visto em selfies de astronautas - passou a integrar o conjunto de ferramentas científicas.

No âmbito da experiência Thor-Davis da ESA, tripulantes fixam uma câmara de última geração atrás do vidro e filmam tempestades distantes a até 100 mil fotogramas por segundo.

Os filmes em câmara lenta resultantes expõem filamentos eléctricos a multiplicarem-se de formas que os livros didácticos não antecipavam.

Ao registar em detalhe a ramificação do relâmpago em instantes mínimos, o Thor-Davis ajuda os cientistas a confrontar testes laboratoriais de plasma com acontecimentos reais.

Num plano mais prático, esse material pode, no futuro, contribuir para melhorar algoritmos que alertam operadores de redes eléctricas quando relâmpagos severos ameaçam linhas de transmissão.

Capturar pulsos invisíveis de relâmpagos

Tempestades com relâmpagos não se limitam ao espectro visível. Algumas descargas geram flashes terrestres de raios gama: pulsos de radiação tão energéticos que podem banhar um avião com um surto breve equivalente a um raio-X ao tórax.

Para mapear esses riscos invisíveis, a Agência Japonesa de Exploração Aeroespacial (JAXA) trabalhou com parceiros universitários para libertar o Light-1 a partir da ISS.

Apesar de não ser maior do que um pão, o CubeSat leva detectores ajustados para fotões de alta energia.

À medida que o Light-1 regista esses flashes sobre sistemas de tempestade na faixa equatorial, os investigadores pretendem alinhar as marcas temporais com redes globais de detecção de relâmpagos no solo.

Com o tempo, isso deve ajudar a construir um atlas tridimensional das regiões onde os flashes de raios gama ocorrem com maior frequência.

Tempestades atrapalham sinais

À primeira vista, um sprite vermelho ou um anel ELVES pode parecer apenas uma curiosidade meteorológica - um “parente” em grande altitude das auroras.

No entanto, esses clarões explodem nas mesmas camadas carregadas que transportam ondas de rádio e retransmitem sinais para submarinos. Quando essas camadas são perturbadas, comunicações podem enfraquecer ou falhar sem aviso.

Para companhias aéreas, saber quando e onde surgem jatos azuis ou flashes de raios gama acrescenta uma camada extra de planeamento de segurança em rotas polares ou equatoriais.

Os cientistas também olham para o clima. TLEs e descargas de corona redistribuem óxidos de azoto e outros compostos entre estratos atmosféricos, afectando a química do ozono e o balanço radiativo.

Ao incorporar essa mistura vertical em modelos climáticos, torna-se possível apertar as previsões de aquecimento futuro.

Rastreadores de relâmpagos ganham melhorias

Com a probabilidade de a ISS continuar em operação ao longo da década, o ASIM e os seus sucessores devem seguir a recolher uma biblioteca de fenómenos de tempestade antes invisíveis.

Engenheiros já projectam detectores de próxima geração capazes de disparar automaticamente, gravar mais rápido e cobrir um espectro mais amplo - do rádio ao raio-X duro.

CubeSats como o Light-1 podem transformar-se numa frota, enviando alertas em tempo real a agências meteorológicas e operadores de satélites sempre que um flash de raios gama ou um mega-sprite entrar em erupção.

Acima de tudo, a estação espacial deixa claro que, para compreender o tempo na Terra, às vezes é preciso olhar de cima para baixo. A cada órbita, mais alguns “quadros” entram no rolo de filme oculto dos relâmpagos.

Esses registos aproximam-nos de prever - e talvez mitigar - as surpresas eléctricas que as tempestades lançam na direcção da fronteira do espaço.