Tzu-Wei Fang sempre se lembrará de 3 de fevereiro de 2022. Era uma quinta-feira, logo após o Dia da Marmota, e Fang, um físico nascido em Taiwan, estava analisando imagens de satélite de uma nuvem de partículas carregadas que havia irrompido do sol. A nuvem que estava chegando era uma ejeção de massa coronal, ou CME (sigla em inglês) — essencialmente uma explosão maciça de plasma magnetizado da atmosfera superior do sol. Ela se assemelhava a dezenas de EMCs que atingem a Terra todos os anos, geralmente tornando sua presença conhecida principalmente por meio de hipnotizantes exibições de luzes polares.
“A CME não era nada significativa”, diz Fang, que estava analisando os dados recebidos de seu escritório na Administração Nacional Oceânica e Atmosférica (NOAA) em Boulder, Colorado.
Porém, cinco dias depois, Fang descobriu que a CME não era tão inofensiva quanto parecia. Quando a nuvem de plasma estava chegando ao planeta, um foguete SpaceX Falcon 9 estava decolando de uma plataforma de lançamento no Centro Espacial Kennedy, na Flórida, com 49 novos satélites Starlink em seu de nariz.
A CME aqueceu os tênues gases na atmosfera superior da Terra, fazendo com que ela inchasse, empurrando as camadas inferiores e mais densas para cima. Quando os satélites foram liberados de seus foguetes, eles lutaram contra um meio inesperadamente espesso. Com os propulsores fracos demais para empurrá-los para uma órbita mais alta e segura, 38 deles voltaram em espiral para a Terra.
Os cientistas já sabiam há muito tempo que a atividade solar pode alterar a densidade da atmosfera superior, portanto, o fato de isso ter acontecido não foi uma surpresa. Mas o incidente da Starlink destacou uma grande lacuna: os pesquisadores não tinham a capacidade de prever com precisão os tipos de alterações de densidade que um determinado volume de atividade solar produziria. E não tinham uma boa maneira de transferir essas alterações para previsões sobre como as trajetórias dos satélites seriam afetadas.
A necessidade de melhorar as previsões estava se tornando cada vez mais urgente. Um novo ciclo solar tinha acabado de começar a ganhar força após um período prolongado de silêncio, e o sol estava lançando muito mais erupções solares e CMEs do que nos últimos anos. Ao mesmo tempo, o número de satélites em órbita do planeta havia se multiplicado por sete desde o último máximo solar. Os pesquisadores entenderam que uma poderosa tempestade solar poderia tornar as condições no espaço próximo à Terra tão imprevisíveis que seria impossível saber se os objetos estavam em rota de colisão. E isso era preocupante. Uma colisão frontal entre duas grandes espaçonaves pode criar milhares de fragmentos de detritos fora de controle que podem permanecer em órbita por anos, tornando o espaço ainda mais difícil de ser navegado pelos operadores.
O evento Starlink provou ser exatamente o catalisador de que a comunidade precisava. Nas semanas seguintes, Fang, que estava trabalhando em um modelo da atmosfera superior, iniciou uma parceria com a SpaceX para obter mais dados sobre a velocidade e a trajetória dos milhares de satélites da constelação. Essa foi uma fonte de informações sem precedentes que está permitindo que os cientistas aprimorem seus modelos de como a atividade solar afeta o ambiente na órbita baixa da Terra. Ao mesmo tempo, outros pesquisadores estão trabalhando para conectar melhor esse modelo de ar esparso nessa parte da atmosfera com as trajetórias dos satélites que passam por ela.
Se Fang e seus colegas forem bem-sucedidos, eles poderão manter os satélites seguros mesmo em meio a um clima espacial turbulento, reduzindo o risco de colisões orbitais potencialmente catastróficas.
A destruição do clima solar
As tempestades solares têm atingido a Terra desde o início dos tempos. Mas até o advento da eletricidade, suas únicas consequências observáveis eram as espetaculares luzes polares.
Isso mudou em 1859, com o Evento de Carrington, a tempestade solar mais energética a atingir a Terra na história registrada. Quando esse tsunami de plasma magnetizado atingiu a atmosfera, ele interrompeu as redes telegráficas em todo o mundo. Os funcionários viram seus equipamentos soltarem faíscas e, em alguns casos, receberam choques elétricos.
Até o momento, a era dos satélites passou por apenas uma grande tempestade geomagnética. Apelidada de tempestade de Halloween, porque atingiu a Terra na última semana de outubro de 2003, a CME afetou quase 60% das missões espaciais da Nasa em órbita na época, de acordo com uma investigação posterior da NOAA. Uma espaçonave japonesa de observação da Terra perdeu o contato conosco nunca mais o recuperou — seus componentes eletrônicos provavelmente foram queimados pelo ataque de partículas solares carregadas.
Thomas Berger, agora diretor do Centro de Tecnologia, Pesquisa e Educação de Meteorologia Espacial da Universidade do Colorado em Boulder, era um jovem cientista de meteorologia espacial naquela época. Ele se lembra do burburinho das pessoas sobre a perda de controle dos satélites.
Ao contrário das aeronaves, os satélites não são constantemente observados por radar em tempo real. Suas trajetórias prováveis são calculadas com dias de antecedência, com base em observações repetidas por um punhado de radares espaciais terrestres e sensores ópticos espalhados pelo mundo. Quando o clima espacial aquece as partes superiores da atmosfera, o aumento da densidade altera essas previsões e pode levar algum tempo para que os operadores encontrem os satélites novamente.
“Após a tempestade do Dia das Bruxas de 2003, todo o catálogo de satélites ficou fora de controle”, diz Berger. “Foram necessários três dias de operações de emergência para localizar e rastrear novamente todos esses objetos. Alguns dos satélites estavam dezenas de quilômetros abaixo de sua órbita normal e talvez a mil quilômetros de distância de sua posição esperada.”
Quando não sabemos onde estão os satélites e os fragmentos de detritos espaciais, isso é mais do que um inconveniente. Isso significa que as operadoras não podem mais fazer previsões sobre possíveis colisões — eventos que podem não apenas destruir satélites, mas também criar milhares de novos pedaços de detritos espaciais, gerando riscos em cascata para outros satélites.
Felizmente, a tempestade do Dia das Bruxas passou sem nenhum acidente orbital. Mas, da próxima vez, as operadoras de satélite podem não ter tanta sorte.
Muita coisa mudou no espaço próximo à Terra desde 2003. O número de satélites ativos na órbita do nosso planeta aumentou de 800, na época, para mais de 9mil atualmente, e a órbita baixa da Terra registrou o maior aumento no tráfego. A quantidade de lixo espacial também cresceu. Há vinte anos, a Rede de Vigilância Espacial dos EUA rastreava cerca de 11mil peças desse tipo de detrito. Hoje, de acordo com a Nasa, ela está de olho em mais de 35 mil objetos. Com tanto material a mais circulando pela Terra, são necessárias muito mais manobras para evitar colisões para manter a segurança.
E é apenas uma questão de tempo até que a Terra seja atingida por tempestades solares maiores. A tempestade de Halloween foi dezenas de vezes mais potente do que o evento “insignificante” que condenou os satélites Starlink. No entanto, ela teve apenas cerca de um décimo da energia do Evento Carrington. O caos orbital — sem mencionar a destruição no solo — certamente poderia ser muito pior.
Estendendo as previsões meteorológicas para o espaço
Seis meses antes daquele fatídico Dia da Marmota (um festival anual de uma cidade da Pensilvânia e expressão que virou sinônimo de déjà vu), Fang havia aceitado um emprego no Space Weather Prediction Center da NOAA para trabalhar em uma nova simulação das partes mais externas da atmosfera da Terra.
O modelo em que ela estava trabalhando, o sistema de previsão Whole Atmosphere Model and Ionosphere Plasmasphere Electrodynamics (WAM-IPE), é uma extensão dos tipos de modelos que os meteorologistas da NOAA usam para prever o tempo na Terra, só que em altitudes muito maiores.
A maioria dos satélites em órbita baixa da Terra viaja dentro da segunda camada mais alta da atmosfera — uma região chamada termosfera, que é preenchida com átomos dispersos de oxigênio, nitrogênio e hélio. Ondas invisíveis que sobem da mesosfera, a camada atmosférica abaixo, pressionam a termosfera, provocando ventos com velocidade de furacão. No entanto, como o ar na termosfera é muito rarefeito, os satélites que orbitam lá mal percebem. Isso muda quando ocorre o clima espacial. Em uma hora, a densidade desse ar rarefeito pode aumentar muitas vezes, e seus átomos se tornam carregados por colisões com partículas solares energéticas, desencadeando exibições de auroras e correntes elétricas.
O modelo WAM-IPE tenta simular as complexidades desses processos e prever seus resultados. “É uma física muito complexa, e ainda não a entendemos completamente”, diz Fang.
Na época do incidente com a Starlink, o modelo de Fang ainda estava em fase experimental. Os tipos de medições da atmosfera superior que poderiam verificar diretamente os cálculos do modelo ainda não estavam disponíveis.
Em 2022, apenas duas espaçonaves em órbita eram capazes de fornecer algumas medições básicas da densidade da termosfera. Não havia nenhuma nova missão da NOAA ou da Nasa em andamento que pudesse preencher as lacunas em um futuro próximo.
Mas a SpaceX tinha uma solução para o problema de Fang. Os satélites Starlink, embora não sejam equipados com instrumentos dedicados para medir a densidade atmosférica, carregam receptores GPS para determinar sua posição. Durante suas conversas, Fang e os engenheiros da Starlink descobriram que, com um pouco de matemática inteligente, poderiam calcular a densidade atmosférica a partir de mudanças nas trajetórias dos satélites Starlink.
“É bastante complicado porque você precisa ter uma compreensão muito boa de como o formato da espaçonave afeta seu arrasto, mas, com isso, podemos observar as diferenças de posição e ver como isso muda e calcular a densidade”, diz Fang.
Naquela época, cerca de 2.000 satélites Starlink estavam em órbita. E assim, onde antes não havia dados, Fang subitamente tinha um recurso abundante para acessar e usar para garantir que os cálculos do modelo WAM-IPE correspondessem à realidade – pelo menos na altitude orbital da Starlink. Desde então, a constelação cresceu para 5.000 espaçonaves, proporcionando uma rede de medições ainda mais densa.
Fang diz que várias outras operadoras de satélites se juntaram ao seu esforço, fornecendo à NOAA dados para fazer o modelo funcionar antes da próxima grande tempestade solar.
“O incidente com a Starlink realmente levantou o problema”, diz ela. “O setor está em expansão e agora todos estão cientes e nos procuram para entender o problema. Foram dois anos complicados e, às vezes, sinto que não estamos resolvendo o problema rápido o suficiente para eles.”
Trabalho a ser feito
Nos meses seguintes ao incidente com a Starlink, outros operadores de espaçonaves começaram a relatar problemas relacionados ao clima espacial. Em maio de 2022, a Agência Espacial Europeia disse que sua constelação de satélites Swarm, que medem o campo magnético ao redor da Terra, estava perdendo altitude 10 vezes mais rápido do que nos 10 anos anteriores. Em dezembro de 2023, a NASA anunciou que seu telescópio espacial Neowise, que caça asteroides, reentrará na atmosfera da Terra no início de 2025 devido ao aumento do arrasto causado pela atividade solar.
O ciclo solar atual deve atingir seu máximo no final deste ano. Mas é provável que o Sol continue lançando CMEs e explosões solares em alta velocidade nos próximos cinco anos, antes que o Sol atinja seu mínimo. Durante esses anos, o número de satélites em órbita deverá continuar aumentando. Os analistas esperam que, até o final desta década, o número de satélites operacionais possa chegar a 100.000.
“Não é improvável que tenhamos uma grande tempestade geomagnética nos próximos quatro ou cinco anos”, diz Berger. “E isso realmente testará todo o sistema.”
A equipe de Berger no Colorado colabora com a equipe de Fang na NOAA, tentando encontrar maneiras de integrar as previsões do modelo WAM-IPE de mudanças na densidade atmosférica aos cálculos das órbitas dos satélites.
Como o incidente da Starlink demonstrou, não é apenas com as grandes e cataclísmicas tempestades solares que os operadores precisam se preocupar.
Dan Oltrogge, especialista em rastreamento orbital da Comspoc, empresa especializada em consciência situacional espacial, diz que a precisão das previsões de trajetória de satélites em órbitas abaixo de 250 milhas (400 quilômetros) é “particularmente suscetível às variações do clima espacial”.
“São nessas altitudes que orbitam a Estação Espacial Internacional, a estação espacial chinesa e também muitos satélites de observação da Terra”, diz Oltrogge. “Quando o clima espacial muda, o arrasto atmosférico muda, e isso muda onde e quão perto as coisas se aproximam. É difícil saber quando fazer uma manobra para evitar a colisão.”
Quanto mais forte for a tempestade, maiores serão as flutuações na densidade atmosférica e maior será a incerteza. De acordo com Fang, a fraca tempestade Starlink engrossou a atmosfera em altitudes entre 120 e 240 milhas em 50% a 125%. Um evento que ocorre uma vez em um século, como a tempestade Carrington, poderia levar a um aumento de 900% na densidade, diz ela.
As maiores preocupações, diz Fang, são o fato de não compreendermos totalmente o comportamento do sol e o fato de recebermos tão pouco aviso sobre quando as EMCs chegarão.
“Mesmo com o novo modelo, só sabemos o que está acontecendo agora”, diz ela. “Não temos uma capacidade real de previsão. Não sabemos quando ocorrerá uma erupção ou quando ocorrerá uma EMC.”
Pode levar alguns dias para que uma EMC atinja a Terra, mas os pesquisadores não obtêm medições de sua intensidade até cerca de 30 minutos antes disso, quando ela passa pelo SOHO, um satélite da NASA e da Agência Espacial Europeia a cerca de 900.000 milhas de distância em uma órbita estável entre a Terra e o Sol.
A Agência Espacial Europeia está desenvolvendo uma nova espaçonave, chamada Vigil, que seria capaz de fornecer uma visão lateral do sol, permitindo que os pesquisadores vejam manchas solares potencialmente perigosas não visíveis da Terra. Mas levará anos para que ela saia do papel. Até lá, os operadores espaciais terão que cruzar os dedos e torcer para que o clima espacial se mantenha.
Esse texto foi escrito originalmente por Tereza Pultarova, jornalista freelancer de ciência e tecnologia baseada em Londres, especializada em espaço e sustentabilidade.
MIT Technology Review
