Como a contagem de manchas solares une o passado e o futuro da ciência
O astrônomo mais arrogante da Suíça em meados do século XX foi
Max Waldmeier , especialista em física solar. Após sua aposentadoria em 1980, seus colegas ficaram tão aliviados que quase enviaram atrás dele a iniciativa que ele liderava como diretor do Observatório de Zurique. Waldmeier foi responsável pela prática, enraizada no tempo de Galileu, e permanecendo uma das práticas científicas mais longas da história: a contagem de
pontos no sol.O Observatório de Zurique foi a capital mundial para o cálculo de manchas solares: áreas escuras e frias na superfície do Sol, nas quais a circulação do calor interno é suprimida pelos campos magnéticos. Desde o século 19, os astrônomos associam manchas
solares a explosões solares que podem atrapalhar o curso da vida na Terra. Hoje, os cientistas sabem que os pontos marcam áreas que criam campos eletromagnéticos colossais que podem interferir no trabalho de tudo, desde
o sistema de posicionamento global e redes elétricas até a composição química da atmosfera.
O que repeliu os seguidores em potencial de Waldmeier foi sua hostilidade a métodos diferentes dos seus. Na era espacial, ele insistiu em um método manual de contagem de pontos usando o
refrator Fraunhofer , nomeado após o inventor do século 18, e estabelecido pelo primeiro diretor do Observatório de Zurique,
Rudolf Wolf em 1849. Depois que Waldmeier saiu, seu assistente, aproveitando a incerteza na questão do patrimônio, tirou e instalou um telescópio Fraunhofer em seu jardim. A observação e o rastreamento automáticos do Sol pelos satélites foram uma melhoria óbvia, além de menos subjetiva do que o olhar estreito de uma pessoa.
Mas, apesar de toda a hostilidade em relação a Valdmeier, seu método foi preservado. Os pontos aparecem ciclicamente. Seu número está aumentando constantemente por cerca de 11 anos, seguidos por 11 anos de declínio. Valdmeier percebeu que a interpretação não podia ser personalizada devido à lentidão inerente ao ciclo. "O processo não pode ter overclock", diz o astrônomo Frederic Klett, diretor do Solar Influence Data Analysis Center no Royal Observatory, na Bélgica. "Para entender o sol, é necessário registrar ciclos por longos períodos."
E a melhor maneira de manter a continuidade dos dados, explica Klett, é usar um método observacional que vincula o passado ao futuro. Diferentemente da ciência moderna, acompanhando os desenvolvimentos tecnológicos, o cérebro e os olhos humanos continuam sendo o dispositivo mais estável para detectar mudanças estelares que nos dão toda a vida.
"A tecnologia e o equipamento modernos são capazes de muitas coisas, mas essas tecnologias existiram por apenas alguns ciclos solares seguidos, de modo que não mostram mudanças nos ciclos ao longo dos séculos", diz Klett, zeladora do procedimento global de contagem de pontos que Wolf começou em Zurique, agora conhecido, como
número internacional de manchas solares ou
número de lobo . Sob a supervisão da Klett, os defeitos ainda são contados manualmente. "Contando-os a olho, podemos conectar o que vemos hoje com o que vimos no passado distante".
Esta é uma história incrível, diz Clett. Um dos métodos científicos mais duradouros é a simples observação. "Esta é uma evolução longa e sistemática da coleta de informações que levou à compreensão do fenômeno das manchas solares, e uma cereja no bolo é uma oportunidade para prever o futuro".
Funciona - não toque: o refrator Fraunhofer, nomeado após seu inventor do século XVIII, foi usado por especialistas em física do Sol para calcular manchas durante a maior parte do século XX.As observações pontuais começaram antes da astronomia moderna, pelo menos por três milênios. Como o Sol era o objeto central de várias religiões antigas, qualquer mancha era considerada um fenômeno significativo. Para os antigos africanos das margens do
Zambeze, as manchas solares eram a terra com a qual a lua ciumenta batia na cara do sol. Os chineses antigos consideravam os pontos os blocos de construção de um palácio voador, ou até pinceladas que determinavam o caráter do rei.
Virgílio adotou uma abordagem mais prática, alertando em seus
georgianos :
Se as manchas começarem a interferir com o fogo dourado,
Tudo - você verá - então ferverá simultaneamente com o vento
E as nuvens
Galileu estudou as manchas mais cientificamente e as considerou marcas úteis para calibração em seus estudos sobre o disco solar. A partir de observações cuidadosas no telescópio sobre as mudanças diárias em sua aparência, ele decidiu corretamente que o Sol é esférico e gira em torno de seu eixo, transferindo defeitos variáveis. Mas, do ponto de vista dele, os pontos eram aleatórios. Isso deixou muito espaço para a imaginação. O filósofo René Descartes acreditava que os pontos eram oceanos de espuma pré-histórica. O astrônomo William Herschel acreditava que essas eram passagens para o mundo escuro dos girassóis, onde as pessoas vivem sob a casca brilhante da estrela.
No entanto, havia um astrônomo amador que simplesmente tinha observações suficientes do céu e registros de tudo o que viu.
Heinrich Schwabe , trabalhando como farmacêutico, começou a observar o Sol em 1826 e estava constantemente envolvido nisso por mais de 300 dias por ano, durante quarenta anos. Inicialmente, ele procurou por planetas não descobertos dentro da órbita de Mercúrio. Não encontrando nada definido, ele gradualmente começou a observar a superfície manchada do sol.
Em 1844, tendo contado dezenas de milhares de spots, Schwabe estava convencido de que o spotting tem um ciclo: o número de spots aumentou e diminuiu a cada 10 anos. Ele não tinha explicação para isso, mas decidiu que outros poderiam aprender algo útil com suas observações, por isso publicou uma nota de uma página na revista Astronomische Nachrichten. Seu trabalho foi lido por Rudolf Wolf, diretor de 30 anos do Observatório de Berna. Quando Wolf se tornou diretor do Observatório de Zurique em 1864, decidiu escolher o ciclo das manchas solares como um tópico para pesquisa.
Wolf não ficou satisfeito com os cálculos apenas ao longo do tempo. Para estabelecer a existência do ciclo e medi-lo corretamente, ele decidiu prudentemente coletar dados passados - começando com Schwabe - e integrá-los às suas próprias observações diárias.
O problema era que os números não correspondiam. O número não correspondia mesmo no cálculo de um dia, realizado milhares de vezes de 1849 a 1868, até o último cálculo de Schwabe. O telescópio Fraunhofer era significativamente mais poderoso que o antigo instrumento Schwabe, e foi visto nele que muitos dos pontos Schwabe eram na verdade aglomerados. Para compensar isso, Wolf tomou duas decisões importantes. O primeiro é reconsiderar seus próprios cálculos - de fato, a atividade relativa dos pontos era realmente importante. A segunda solução foi estabelecer a relação entre o número de pontos contados por ele e Schwab quando suas observações ocorreram no mesmo dia. Ele obteve o coeficiente, chamado de k, e foi um fator que poderia ser aplicado às antigas observações de Schwabe até 1849, combinando-as estatisticamente com os novos dados de Wolf.
O coeficiente tornou possível algo ainda mais interessante. Graças a muitas observações simultâneas, Wolf conseguiu usar os dados antigos de Schwabe para derivar os coeficientes k de outros cientistas e estendeu seus dados de maneira confiável sobre o número de pontos até 1700. Então, Wolf criou toda uma rede de contadores de pontos no continente, e suas contagens diárias, variando de zero a algumas centenas, tornaram-se um dos conjuntos de dados mais confiáveis da astronomia.
Os dados mostraram que Schwabe estava certo sobre o ciclo das manchas solares, mas não sobre sua duração. A princípio, Wolf recontou esse período aos 11 anos e decidiu que havia descoberto sua razão: Júpiter precisava de apenas 11 anos para dar a volta ao Sol em sua órbita. No entanto, quanto mais ciclos ele coletava, menos confiável essa correlação parecia. Alguns ciclos duraram 14 anos. Outros de acordo com 9. Como o período orbital de Júpiter não mudou, o cientista teve que admitir a derrota.
Ele continuou calculando que alguém com dados suficientes seria capaz de descobrir o mecanismo para o aparecimento de manchas solares. Ele acreditou até sua morte em 1893. Naquela época, seu assistente Alfred Wolfer estava contando pontos com ele por 17 anos. Seu coeficiente k garantiu uma transição suave de observações para outros diretores do Observatório de Zurique, até o arrogante Valdmeier, que desenvolveu a classificação evolutiva dos pontos e o método de previsão de tempestades geomagnéticas, o que avançou seriamente na ciência solar.
A imagem impressionante da mancha solar indica o local onde o magnetismo suprimiu o movimento do calor no sol, a convecção solar. Manchas solares marcam áreas das quais surgem flashes colossais, afetando o GPS e as redes elétricas da Terra.Então, por que os períodos de manchas escuras são substituídos por períodos de sol puro? "Na verdade, ainda não sabemos exatamente de que frequência depende", admite Klett. Mesmo após 315 anos de coleta de dados, o mecanismo do ciclo das manchas solares ainda não foi totalmente iluminado.
No entanto, houve um progresso significativo desde Schwabe, especialmente na área de efeitos de erupção solar. Em 1859, dois astrônomos amadores da rede de observação de Wolf notaram dois flashes brilhantes dentro de um grupo de pontos. Nos dias seguintes, o trabalho do telégrafo foi interrompido e as
luzes do
norte foram observadas em toda a Europa. Vários desses episódios convenceram os cientistas da conexão desses fenômenos, cuja explicação veio em 1908, quando o astrônomo
George Ellery Hale usou um espectroscópio para determinar a natureza magnética das manchas solares (o magnetismo afeta levemente o espectro de cores). Os defeitos escuros do Sol poderiam finalmente ser entendidos. Não eram espuma pré-histórica ou sinais de uma população do Sol, mas áreas em que o magnetismo suprimia o movimento do calor no Sol, em um processo conhecido como convecção solar.
Hoje, graças à física solar, sabemos que os ciclos pontuais são controlados pelo movimento de rotação do plasma dentro do sol em rotação. Como o plasma é eletricamente carregado e as camadas de plasma giram em velocidades diferentes, a esfera do Sol se comporta como um dínamo, produzindo campos eletromagnéticos milhares de vezes mais fortes que o magnetismo polar da Terra. A circulação do plasma que cria o dínamo solar é modelada em supercomputadores. Durante séculos, dados sobre manchas solares coletadas ajudaram os cientistas a refinar e validar esses modelos executando simulações e observando quais modelos estão mais próximos da frequência variável de ciclos sucessivos. Quanto mais perfeitos os modelos, melhor entenderemos o ciclo das manchas solares.
A necessidade de calcular manchas solares, explica Klett, só aumentou durante a transição de telégrafos para satélites. "O número de pontos ajuda a estabelecer uma tendência para os próximos meses e anos para prever a frequência e a força dos distúrbios", diz ele. O Observatório Real da Bélgica recebe constantemente solicitações de dados de empresas de telecomunicações e energia. As companhias aéreas comerciais também dependem das tendências das manchas solares, pois o magnetismo solar afeta a velocidade das ondas de rádio na ionosfera e distorce as coordenadas GPS. Se o tempo ensolarado se aproximar da tempestade, os pilotos voltam sua atenção para outras ferramentas de navegação.
Entre a vida da Terra e as manchas solares, correlações menos confirmadas também são derivadas. Pesquisadores médicos estão tentando encontrar uma conexão entre magnetismo solar e câncer. Economistas estão analisando a relação entre ciclos solares e agricultura. Os climatologistas querem saber se as pequenas
eras glaciais são causadas por períodos de "grandes baixas" - quando quase não há manchas no Sol - como aconteceu no século XVIII. As pinturas desse período retratam pessoas patinando no Tamisa e em Veneza.
O progresso na climatologia é particularmente interessante. Sabe-se que a radiação do Sol altera a composição química das camadas superiores da atmosfera e as manchas solares modulam a intensidade de vários comprimentos de onda - do infravermelho ao raio-x - bombardeando nosso planeta. Ao vincular o número de pontos às mudanças no espectro solar, os climatologistas em breve poderão determinar a imagem espectral do Sol durante o grande mínimo do século XVIII.
Wolf nunca teria pensado em tal aplicação de dados - essa será uma lição para outros lobos do presente e do futuro: a solução para um dos problemas mais importantes da ciência moderna - a mudança climática global - dependerá dos dados coletados muito antes de se tornar conhecido. "Acho que essa é a essência da pesquisa científica, durante a qual você observa um novo fenômeno que não consegue entender", diz Klett. - É como abrir um novo território. Você sabe que obterá novos conhecimentos, mesmo que não venham das direções que você espera. ”
Uma explicação do ciclo das manchas solares será a confirmação final da aposta secular de Wolf. Mas, como zelador da pesquisa de manchas solares, Klett se alegra com outro avanço: ele recentemente entrou em contato com um homem que herdara as ferramentas de Wolf do traiçoeiro assistente Waldmeier. Observações usando o antigo telescópio Fraunhofer novamente contribuem para o cálculo internacional de manchas solares.
Delight Klett não está relacionado ao sentimento, mas apenas observa o papel principal de Wolf em transformar o cálculo de manchas em um procedimento consistente. "Consegui determinar o coeficiente k deste telescópio", diz ele. - Idealmente coincide com o que Wolf definiu no século 19 - e é nesse momento que você considera que hoje não é Wolf quem está envolvido no cálculo. A coincidência k é um sinal de que o sistema olho-cérebro não mudou nos últimos dois séculos. ”
E se o último par de séculos é um bom indicador, observações simples terão valor por muito tempo. A contagem de manchas solares pode ser um modelo para qualquer pesquisa que exija coleta de dados a longo prazo - como mudanças ilusórias no comportamento de uma estrela antiga milhares de anos antes de se tornar uma supernova. Comparado a um estudo de supernova que exige dezenas ou centenas de gerações, a contagem de manchas solares parece muito rápida.
Esse experimento a longo prazo será um desafio épico. Depende da astúcia estatística digna de Wolf e do tradicionalismo teimoso, digno de Waldmayer. Mas, para atingir o maior potencial, você precisa de uma mentalidade calma como a de Schwabe, que não precisava saber exatamente o que eles encontrariam em seus dados - o mérito também era simplesmente observar o fenômeno natural.