Sprites e Raios Cósmicos: Os Relâmpagos Fantasmas da Atmosfera

Relâmpagos vermelhos no topo do céu

Acima das tempestades clássicas, na alta atmosfera, às vezes aparecem relâmpagos fugazes e vermelhos: são os sprites, ou duendes. Esses eventos luminosos transitórios (TLEs) ocorrem entre 50 e 90 km de altitude, bem acima da troposfera tempestuosa. Eles são provocados por poderosas descargas elétricas induzidas por tempestades, mas também influenciadas por partículas energéticas vindas do espaço, os raios cósmicos.

Raios cósmicos e o desencadeamento de sprites

Os raios cósmicos galácticos são núcleos atômicos acelerados a velocidades relativísticas por supernovas ou outros eventos extremos. Quando penetram na atmosfera terrestre, interagem com os núcleos do ar e criam chuveiros de partículas secundárias. Esses múons, elétrons e pósitrons podem aumentar localmente a ionização da mesosfera e facilitar o aparecimento de um campo elétrico suficiente para iniciar um sprite. Em particular, os elétrons relativísticos podem baixar a tensão de ruptura no ar rarefeito, tornando possível a iniciação de um canal condutor de várias dezenas de quilômetros.

Um mecanismo ainda mal compreendido

O mecanismo preciso que liga raios cósmicos e sprites é complexo. Parece que os campos elétricos gerados por relâmpagos positivos no solo (positive cloud-to-ground strokes) desempenham um papel fundamental, desencadeando uma onda quase eletrostática ascendente que interage com as camadas ionizadas. Os raios cósmicos, portanto, não são a causa direta, mas podem agir como gatilhos catalíticos. Algumas experiências, como as do satélite TARANIS (CNES, 2020), visavam desvendar essas interações finas. Infelizmente, a missão foi perdida pouco após seu lançamento, e muitas questões permanecem em aberto.

Implicações atmosféricas e planetárias

Os sprites não são apenas curiosidades visuais. Seu estudo revela dinâmicas complexas na alta atmosfera terrestre, influenciadas tanto pela meteorologia local quanto por processos astrofísicos. Além disso, a energia que liberam (até vários centenas de megajoules) pode desempenhar um papel na química da mesosfera, particularmente na formação de radicais como NO_x ou O₃. Finalmente, os sprites também poderiam existir nas atmosferas de outros planetas, como Júpiter ou Saturno, o que os tornaria um fenômeno universal ligado a campos elétricos intensos nas atmosferas planetárias.

Raios Cósmicos e Mutação de Espécies

Uma Fonte Natural de Radiação

Os raios cósmicos, compostos principalmente de prótons e núcleos pesados acelerados a velocidades relativísticas, interagem com a atmosfera terrestre para produzir partículas secundárias, como múons, nêutrons ou elétrons. Estas partículas às vezes passam pela biosfera e atingem as células vivas. Embora seu fluxo seja baixo na superfície terrestre (~1 partícula/cm²/minuto), sua alta energia permite que induzam danos ao nível do DNA.

Mutações Pontuais e Instabilidades Cromossômicas

Quando um raio cósmico ou uma partícula secundária passa por uma célula, pode causar uma quebra de fita simples ou dupla do DNA. Se essas lesões não forem reparadas corretamente, podem levar a mutações pontuais, rearranjos cromossômicos ou deleções. Este mecanismo aleatório pode, às vezes, induzir uma **mutação vantajosa**, mas mais frequentemente, resulta em uma perda de viabilidade celular ou carcinogênese.

Sprites da Estação Espacial Internacional

Uma posição de observação privilegiada

A Estação Espacial Internacional (ISS), orbitando a uma altitude de cerca de 400 km, sobrevoa periodicamente zonas de tempestades tropicais muito ativas. Essa altitude permite que os astronautas e os instrumentos a bordo observem os sprites por cima ou lateralmente, através da mesosfera. Ao contrário dos observadores terrestres, limitados pela cobertura de nuvens e pelo ângulo de visão, a ISS beneficia de um céu limpo e de uma visibilidade lateral de centenas de quilômetros.

ASIM: um olho científico sobre os sprites

Instalado em 2018 no módulo Columbus, o instrumento europeu ASIM (Atmosphere-Space Interactions Monitor) é dedicado à observação de fenômenos luminosos transitórios (TLE). Ele combina câmeras rápidas, detectores de raios X/gamma e fotômetros sensíveis. Graças ao ASIM, os pesquisadores obtiveram sequências de alta resolução de sprites, ELVES e jatos azuis, permitindo estudar sua dinâmica fina e seu espectro de emissão no UV próximo e no visível.

Estruturas filamentosas tridimensionais

Do espaço, os sprites se revelam como estruturas complexas de várias dezenas de quilômetros, frequentemente organizadas em filamentos paralelos ou ramificados, evocando raízes invertidas ou cenouras. Sua luz vermelha, principalmente da excitação do N₂, aparece por alguns milissegundos. Os dados espectroscópicos também mostram a presença de linhas de emissão relacionadas à dissociação molecular e à recombinação iônica.

Uma atmosfera mais dinâmica do que se pensava

A ISS permitiu confirmar que a atmosfera superior está longe de ser calma. Não só se observam sprites, mas também fenômenos como os ELVES (anéis luminosos de 300 km de diâmetro criados pelos pulsos eletromagnéticos dos relâmpagos) ou os blue jets, esses jatos azuis de plasma que sobem até 50 km de altitude. Essas observações revelam interações complexas entre a eletricidade das tempestades, os campos eletromagnéticos e as partículas cósmicas.

Uma ligação entre o espaço e o clima

Os dados coletados da ISS contribuem para uma nova compreensão da sensoriamento remoto atmosférico. Os sprites tornam-se assim uma sonda natural da ionização da alta atmosfera. Eles oferecem um ponto de convergência entre as ciências da Terra e as ciências do espaço, em uma perspectiva transdisciplinar que combina meteorologia, física de plasmas, óptica e astrofísica de partículas.

Tabela comparativa: relâmpago, sprite e raio cósmico

Fontes: Neubert et al. (2008), Journal of Geophysical Research – Sprites, ELVES and other transient luminous events , Chanrion et al. (2020), Nature – Blue Jet observed from the International Space Station , ESA – Catálogo de observações do ASIM , Dwyer & Uman (2014), Space Science Reviews – Physics of Lightning , arXiv:2304.08934 – Influência de partículas de alta energia em descargas atmosféricas .