A temperatura solar

Pense rápido: Qual é a temperatura do Sol? Em uma rápida pesquisa na internet, você pode rapidamente chegar ao valor de 5778K para a temperatura de sua superfície. Porém a temperatura solar é algo bem mais complicado e algumas perguntas ainda estão sem respostas.

Figura 1: Ilustração da estrutura solar interna e externa
A estrutura solar

O Sol é a estrela que contém 99,86% da massa do sistema solar e possui uma massa 333 mil vezes a da Terra. Além de um volume 1.3 milhões de vezes maior que a do nosso planeta. Para efeito de comparação, se o Sol fosse uma bola de basquete, a Terra teria a metade do tamanho da cabeça de um alfinete.

O Sol, possui uma estrutura interna dividida em núcleo, zona radiativa e convectiva (ver Figura 1). Grande parte da massa do sol encontra-se no núcleo, onde a imensa pressão e calor é capaz de gerar até 15 milhões de graus Celsius. É aqui que os átomos de hidrogênio se fundem, criando hélio e energia. Esse processo é chamado de fusão nuclear.

A energia gerada ali é irradiada para a superfície solar e para o meio interplanetário, passando pelas zonas de radiação e convectivas. Esta viagem da energia, do núcleo até a zona convecção, pode demorar até 1 milhão de anos. A temperatura nessas zonas diminui a medida que se afasta do centro solar, como mostrado na figura 2. Próximo a fotosfera (região visível do Sol), ainda na zona convectiva, a temperatura cai abaixo dos 2 milhões de graus celsius. Nessa região, a pressão já não é tão intensa o que favorece o surgimento de grandes bolhas de plasma que sobem para atmosfera solar.

Figura 2: Modelo para variação de temperatura interna do Sol.

 

Quais são as camadas solares e suas temperaturas?

A atmosfera solar possui 3 camadas: fotosfera, cromosfera e coroa. A temperatura na fotosfera é de cerca de 5.500 °C. É aqui que a radiação do Sol é detectada como luz visível. É nessa camada que surgem as manchas solares. Essa manchas são regiões mais escuras e frias com temperaturas próximas a 4000 graus °C.

A camada seguinte, a cromosfera, é um pouco mais fria, cerca de 4.300 graus Celsius. A luz visível da cromosfera geralmente é fraca demais para ser vista em contraste com a fotosfera mais brilhante, porém durante os eclipses solares totais, quando a Lua cobre completamente a fotosfera, a cromosfera pode ser vista como uma borda vermelha em torno do sol.

A temperatura na coroa solar, a camada mais externa da atmosfera solar, atinge mais de 2 milhões de °C. Por outro lado,  um pouco mais de 1.000 km abaixo, a superfície solar tem temperaturas na ordem de apenas 10.000 °C (figura 3). Como isso acontece? Bem, esta continua sendo uma das maiores questões em aberto da física solar.

Figura 3: Temperatura da atmosfera solar

 

Um mistério de 150 anos

Grande parte do nosso conhecimento sobre a coroa solar foi adquirido com estudos sobre os eclipses solares totais. Antes de toda a tecnologia espacial, a única maneira de aprender sobre a coroa solar era usar o bloqueio da Lua para conseguir delinear com clareza a coroa ao redor do Sol.

O problema do aquecimento coronal começa com a observação mútua de Charles Young e William Harkness de uma linha de emissão verde ( comprimento de onda de 530 nm). Considerando que diferentes elementos emitem luz em comprimentos de onda característicos, os cientistas podem, usando espectrômetros para analisar a luz, identificar a composição química do Sol. Porém, a linha de emissão verde não correspondia a nenhum elemento conhecido.

Por conta disso, imaginava-se que talvez tivessem descoberto um novo elemento químico. O chamaram de coronium. Porém, 70 anos depois, com os trabalhos de Grotrian e Edlen, foi constatado que não tratava-se de nenhum elemento novo. Tratava-se de uma emissão do ferro, aquecido a ponto de ser ionizado, perdendo metade de seus elétrons (Fe+13). (Para entender um pouco mais sobre física do plasma leia )

Os cientistas estimaram que para atingir níveis tão altos de ionização as temperaturas deveriam estar em torno de ~ 2 milhões °C. Quase 200 vezes a temperatura da superfície.

 

Um problema ainda não resolvido

Desde a descoberta que a coroa solar pode atingir temperaturas da ordem dos milhões de °C, cientistas e engenheiros fazem um grande esforço para entender como isso acontece. Modelos teóricos e poderosos instrumentos têm sido lançados para observar o Sol. Porém ainda não há uma solução concreta que explique qual é o real mecanismo que faz a coroa solar aquecer tanto.

Existem duas fortes propostas teóricas para explicar esse aquecimento. Ele pode ser provocado pelo surgimento de ondas de Alvén no movimento de ebulição da superfície solar, capazes de aquecer a atmosfera. Outra proposta sugere, que nanoflares, resultado de microprocessos de reconexão magnética, depositem calor na atmosfera solar, tal como bombas.

As duas teorias não são auto excludentes. De fato, para complicar, muitos cientistas acham que ambos processos podem estar envolvidos no aquecimento da coroa.

O próximo grande passo para entender isso foi lançado há alguns dias a sonda Parker, no dia 11/08/2018. Essa sonda irá se aproximar da coroa solar como nunca antes. A sonda irá coletar partículas recém-aquecidas, assim removendo muitas incertezas e ajudando os cientistas a distinguir os mecanismos exatos impulsionam o aquecimento.

 

REFERÊNCIAS

Hargreaves JK. The solar Terrestrial environment. Cambridge University Press. 1995.

Bittencourt JA. Fundamentals of Plasma Physics, 3rd Edition, Springer.

Morison Ian. Introduction to Astronomy and Cosmology, Wiley-Blackwell.2008

Nasa: NASA’s Parker Solar Probe and the Curious Case of the Hot Corona : acessado :03/08/2018

 

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