Tzu-Wei Fang irá lembrar-se sempre do dia 3 de fevereiro de 2022. Era uma quinta-feira, logo após o Dia da Marmota, e Fang, uma física nascida em Taiwan, estava a analisar imagens de satélite de uma nuvem de partículas carregadas que tinha irrompido do sol. A nuvem que se aproximava era uma ejeção de massa coronal, ou CME (sigla em inglês), que é essencialmente uma enorme explosão de plasma magnetizado da atmosfera superior do sol. Parecia-se com dezenas de outras CMEs que atingem a Terra todos os anos, geralmente manifestando-se através de espetaculares exibições de auroras boreais.
“A CME não era significativa de todo,” diz Fang, que estava a analisar os dados recebidos no seu escritório da Administração Nacional Oceânica e Atmosférica (NOAA) em Boulder, no Colorado.
Mas cinco dias depois, Fang soube que a CME não era tão inofensiva quanto parecia. Justamente quando a nuvem de plasma estava a caminho do planeta, um foguete Falcon 9 da SpaceX estava a ser lançado de uma plataforma de lançamento no Centro Espacial Kennedy na Flórida, com 49 novos satélites Starlink no seu cone do nariz.
A CME aqueceu os gases ténues na atmosfera superior da Terra, fazendo-a inchar, empurrando as camadas mais densas e baixas para cima. Quando os satélites foram libertados do foguete, lutaram contra um meio inesperadamente espesso. Com propulsores demasiado fracos para os impulsionar para uma órbita mais alta e segura, 38 deles caíram vertiginosamente em direção à Terra.
Os cientistas há muito sabiam que a atividade solar pode alterar a densidade da atmosfera superior, por isso o facto de isto ter acontecido não foi uma surpresa. No entanto, o incidente com os Starlink destacou uma grande falha de capacidades: os investigadores não tinham a habilidade de prever com precisão as alterações de densidade que uma determinada quantidade de atividade solar iria produzir, e não possuíam uma boa forma de transferir essas alterações para previsões acerca de como as trajetórias dos satélites seriam afetadas.
A necessidade de melhorar as previsões tornava-se cada vez mais urgente. Um novo ciclo solar tinha começado a ganhar força após um período prolongado de calma, e o sol estava a expelir muito mais erupções solares e CMEs do que nos anos anteriores. Ao mesmo tempo, o número de satélites em órbita do planeta tinha aumentado sete vezes desde o último máximo solar. Os investigadores compreendiam que uma tempestade solar poderosa poderia tornar as condições no espaço próximo à Terra tão imprevisíveis que seria impossível determinar se os objetos estavam em rota de colisão. E isso era uma preocupação. Uma colisão frontal entre duas grandes naves espaciais pode criar milhares de fragmentos de detritos fora de controlo que poderiam permanecer em órbita durante anos, tornando o espaço ainda mais difícil de navegar.
O evento Starlink provou ser apenas o catalisador de que a comunidade precisava. Nas semanas seguintes, Fang, que tinha estado a trabalhar num modelo da atmosfera superior, iniciou uma parceria com a SpaceX para obter mais dados sobre a velocidade e trajetória dos milhares de satélites da constelação. Era uma fonte de informação sem precedentes que está a permitir aos cientistas melhorar os seus modelos de como a atividade solar afeta o ambiente na órbita baixa da Terra. Ao mesmo tempo, outros investigadores estão a trabalhar para melhor ligar este modelo do ar rarefeito desta parte da atmosfera às trajetórias dos satélites que por ela passam.
Se Fang e os seus colegas tiverem sucesso, poderão manter os satélites seguros mesmo em condições meteorológicas espaciais turbulentas, reduzindo o risco de colisões orbitais potencialmente catastróficas.
Devastação do clima solar
As CMEs têm assolado a Terra desde o início dos tempos. Mas até à chegada da eletricidade, as suas únicas consequências observáveis eram as espetaculares auroras boreais.
Isso mudou em 1859 com o Evento Carrington, a CME mais energética na história registada a atingir a Terra. Quando esse tsunami de plasma magnetizado atingiu a atmosfera terrestre, interrompeu redes telegráficas por todo o mundo. Os funcionários viram os seus equipamentos a emitir faíscas e, em alguns casos, receberam choques elétricos.
A era dos satélites só experienciou até agora uma grande tempestade geomagnética. Designada tempestade de Halloween por ter atingido a Terra na última semana de outubro em 2003, a CME afetou quase 60% das missões espaciais da NASA em órbita na altura, segundo uma investigação posterior da NOAA. Uma nave espacial japonesa de observação da Terra perdeu o contacto com a Terra, nunca mais o tendo recuperado; os seus sistemas eletrónicos provavelmente foram queimados pelo ataque de partículas solares carregadas.
Thomas Berger, agora diretor do Centro de Tecnologia, Pesquisa e Educação em Meteorologia Espacial da Universidade do Colorado em Boulder, era um jovem cientista de meteorologia espacial naquela época. Ele lembra-se das pessoas a falar sobre perder o rasto dos satélites.
Ao contrário dos aviões, os satélites não são constantemente observados por radar em tempo real. As suas trajetórias prováveis são calculadas com dias de antecedência, baseadas em observações repetidas por um punhado de radares espaciais terrestres e sensores ópticos espalhados pelo globo. Quando a meteorologia espacial aquece as partes superiores da atmosfera, o aumento da densidade altera essas previsões, e pode levar algum tempo até os operadores encontrarem novamente os satélites.
“Após a tempestade de Halloween de 2003, todo o catálogo de satélites se desviou do trajeto”, diz Berger. “Foram necessários três dias de operações de emergência para localizar e voltar a seguir a trajetória de todos esses objetos. Alguns dos satélites estavam dezenas de quilómetros abaixo da sua órbita habitual e talvez a mil quilómetros de distância da posição esperada”.
Quando não sabemos onde estão os satélites, e os fragmentos de detritos espaciais, isso é mais do que um incómodo. Significa que os operadores já não conseguem fazer previsões sobre potenciais colisões, eventos que podem não só destruir satélites mas também criar milhares de novos pedaços de detritos espaciais, gerando grandes riscos para outros satélites.
Felizmente, a tempestade de Halloween passou sem uma colisão orbital. Mas da próxima vez, os operadores de satélites podem não ter tanta sorte.
Muita coisa mudou no espaço próximo à Terra desde 2003. O número de satélites ativos a orbitar o nosso planeta subiu de 800 naquela época para mais de 9000 hoje, e a órbita baixa da Terra viu o maior aumento de tráfego. A quantidade de lixo espacial também cresceu. Há vinte anos, a Rede de Vigilância Espacial dos Estados Unidos rastreava cerca de 11 000 pedaços desses detritos. Hoje, segundo a NASA, mantém sob vigilância mais de 35 000 objetos. Com muito mais coisas a girar em torno da Terra, são necessárias muitas mais manobras de evasão de colisões para manter tudo seguro.
E é apenas uma questão de tempo até que a Terra seja atingida por CMEs mais poderosas. A tempestade de Halloween tinha dezenas de vezes mais energia do que o evento “insignificante” que condenou os satélites Starlink. No entanto, tinha apenas cerca de um décimo da energia do Evento Carrington. O caos orbital, para não falar da devastação em terra, certamente poderá ser muito pior.
Estender as previsões meteorológicas para o espaço
Seis meses antes daquele fatídico Dia da Marmota, Fang aceitou um emprego no Centro de Previsão de Meteorologia Espacial da NOAA para trabalhar numa nova simulação das partes mais externas da atmosfera terrestre.
O modelo em que estava a trabalhar, 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 clima na Terra, mas a altitudes muito mais elevadas.
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 oxigénio, nitrogénio e hélio. Ondas invisíveis que sobem da mesosfera, a camada atmosférica por baixo, empurram a termosfera, agitando ventos com velocidades típicas de furacões. Mas como o ar na termosfera é tão rarefeito, os satélites que a orbitam mal o notam. Isso muda quando a meteorologia espacial se desencadeia. Em uma hora, a densidade desse ar fino pode aumentar muitas vezes, e os seus átomos tornam-se carregados devido a colisões com partículas solares energéticas, provocando exibições de auroras e correntes elétricas.
O modelo WAM-IPE tenta simular as complexidades desses processos e prever os seus resultados. “É muita física complexa, e ainda não compreendemos completamente tudo”, diz Fang.
Na altura do incidente com os Starlink, o modelo de Fang ainda estava em fase experimental. As medições da atmosfera superior que poderiam verificar diretamente os cálculos do modelo ainda não estavam disponíveis.
Em 2022, apenas duas naves espaciais em órbita eram capazes de fornecer algumas medições básicas da densidade termosférica. Não havia nenhuma nova missão planeada pela NOAA ou NASA que pudesse preencher as falhas num futuro próximo.
Mas a SpaceX tinha uma solução para o problema de Fang. Os satélites Starlink, embora não estejam equipados com instrumentos dedicados para medir a densidade atmosférica, possuem recetores GPS para determinar a sua posição. Durante as suas conversas, Fang e os engenheiros da Starlink perceberam que, com alguma matemática astuta, poderiam calcular a densidade atmosférica a partir das alterações nas trajetórias dos satélites Starlink.
“É bastante complicado porque é necessário ter um bom entendimento de como a forma da nave espacial afeta o seu arrasto, mas com isso fornecido, podemos observar as diferenças de posição, ver como isso muda e calcular a densidade,” diz Fang.
Naquela época, cerca de 2000 satélites Starlink estavam em órbita. Assim, onde antes não havia dados, de repente Fang tinha um recurso abundante para explorar e usar para garantir que os cálculos do modelo WAM-IPE correspondessem à realidade — pelo menos na altitude orbital dos Starlink. Desde então, a constelação cresceu para 5000 naves espaciais, fornecendo uma rede ainda mais densa de medições.
A partir desse momento, Fang diz que vários outros operadores de satélites se juntaram ao seu esforço, fornecendo dados à NOAA para fazer o modelo funcionar antes da próxima grande tempestade solar.
“O incidente dos Starlink realmente destacou o problema”, diz ela. “A indústria está em expansão e agora todos estão cientes, e vêm até nós e querem entender o problema. Foram dois anos complicados e às vezes sinto que não estamos a solucioná-lo rapidamente o suficiente para eles”.
Trabalho por fazer
Nos meses após o incidente dos Starlink, outros operadores de naves espaciais começaram a relatar problemas relacionados com a meteorologia espacial. Em maio de 2022, a Agência Espacial Europeia disse que a sua constelação de satélites Swarm, que medem o campo magnético em torno da Terra, estava a perder altitude dez vezes mais rápido do que nos dez anos anteriores. Em dezembro de 2023, a NASA anunciou que o seu telescópio espacial para caçar asteroides Neowise irá reentrar a atmosfera terrestre até início de 2025 devido ao aumento do arrasto causado pela atividade solar.
O ciclo solar atual está programado para atingir o seu máximo ainda este ano. Mas o sol provavelmente irá continuar a emitir CMEs e erupções solares a uma taxa elevada pelos próximos cinco anos antes de o sol se estabilizar no seu mínimo. Durante esses anos, o número de satélites em órbita está definido para continuar a aumentar. Analistas preveem que até ao final desta década o número de satélites operacionais possa atingir 100 000.
“Não é improvável que tenhamos uma grande tempestade geomagnética nos próximos quatro ou cinco anos”, diz Berger. “E isso irá realmente testar todo o sistema”.
A equipa de Berger no Colorado colabora com a equipa de Fang na NOAA, tentando encontrar formas de integrar as previsões de alterações na densidade atmosférica do modelo WAM-IPE nos cálculos das órbitas dos satélites.
Como o incidente dos Starlink mostrou, não são apenas as grandes tempestades solares cataclísmicas que preocupam os operadores.
Dan Oltrogge, um especialista em rastreamento orbital na Comspoc, uma empresa especializada em consciência situacional espacial, diz que a precisão das previsões da trajetória de satélites em órbitas abaixo de 400 quilómetros é “particularmente suscetível às variações da meteorologia espacial”.
“São nessas altitudes onde orbitam a Estação Espacial Internacional, a estação espacial chinesa e também muitos satélites de observação da Terra”, afirma Oltrogge. “Quando a meteorologia espacial muda, o arrasto atmosférico muda, e isso altera onde e quão próximo as coisas se juntam. É difícil saber quando realizar uma manobra de evasão de colisão”.
Quanto mais forte a tempestade, maiores as flutuações na densidade atmosférica, e maior a incerteza. Segundo Fang, a tempestade dececionante de Starlink aumentou a densidade da atmosfera em altitudes entre 190 e 385 quilómetros de 50% a 125%. Um evento centenário como a tempestade de Carrington poderia levar a um aumento de densidade de 900%, diz ela.
As maiores preocupações, diz Fang, são que não compreendemos totalmente o comportamento do sol e que mal somos alertados acerca da chegada das CMEs.
“Mesmo com o novo modelo, só sabemos o que está a acontecer agora”, diz ela. “Não temos uma capacidade real de previsão. Não sabemos quando vai ocorrer uma erupção ou quando vai acontecer uma CME”.
Pode demorar alguns dias para uma CME atingir a Terra, mas os investigadores não recebem medições da sua intensidade até cerca de 30 minutos antes, quando esta passa pelo SOHO, um satélite da NASA e da Agência Espacial Europeia localizado a cerca de 1,5 milhões de quilómetros de distância, numa órbita estável entre a Terra e o sol.
A Agência Espacial Europeia está a desenvolver uma nova nave espacial, chamada Vigil, que seria capaz de fornecer uma vista lateral do sol, permitindo aos investigadores ver manchas solares potencialmente perigosas não visíveis da Terra. Mas serão necessários anos para que seja lançada. Até lá, os operadores espaciais terão de fazer figas e esperar que a meteorologia espacial se mantenha estável.
Tereza Pultarova é uma jornalista freelancer de ciência e tecnologia que vive em Londres, especialista em espaço e sustentabilidade.
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