The solar minimum occurs approximately every 11 years when fewer sunspots like these appear. Image: NASA/Goddard Space Flight Center.
Since 1611, humans have recorded the comings and goings of black spots on the sun. The number of these sunspots waxes and wanes over approximately an 11-year cycle -- more sunspots generally mean more activity and eruptions on the sun and vice versa. The number of sunspots can change from cycle to cycle, and 2008 saw the longest and weakest solar minimum since scientists have been monitoring the sun with space-based instruments.
Observations have shown, however, that magnetic effects on Earth due to the sun, effects that cause the aurora to appear, did not go down in synch with the cycle of low magnetism on the sun. Now, a paper in Annales Geophysicae that appeared on May 16, 2011 reports that these effects on Earth did in fact reach a minimum - indeed they attained their lowest levels of the century - but some eight months later. The scientists believe that factors in the speed of the solar wind, and the strength and direction of the magnetic fields embedded within it, helped produce this anomalous low.
"Historically, the solar minimum is defined by sunspot number," says space weather scientist Bruce Tsurutani at NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Calif., who is first author on the paper. "Based on that, 2008 was identified as the period of solar minimum. But the geomagnetic effects on Earth reached their minimum quite some time later, in 2009. So we decided to look at what caused the geomagnetic minimum."
Geomagnetic effects basically amount to any magnetic changes on Earth due to the sun, and they're measured by magnetometer readings on the surface of the Earth. Such effects are usually harmless, with the only obvious sign of their presence being the appearance of auroras near the poles. However, in extreme cases, they can cause power grid failures on Earth or induce dangerous currents in long pipelines, so it is valuable to know how the geomagnetic effects vary with the sun.
Three things help determine how much energy from the sun is transferred to Earth's magnetosphere from the solar wind: the speed of the solar wind, the strength of the magnetic field outside Earth's bounds (known as the interplanetary magnetic field) and which direction it is pointing, since a large southward component is necessary to connect successfully to Earth's magnetosphere and transfer energy. The team - which also included Walter Gonzalez and Ezequiel Echer of the Brazilian National Institute for Space Research in São José dos Campos, Brazil - examined each component in turn.
First, the researchers noted that in 2008 and 2009, the interplanetary magnetic field was the lowest it had been in the history of the space age. This was an obvious contribution to the geomagnetic minimum. But since the geomagnetic effects didn't drop in 2008, it could not be the only factor.
To examine the speed of the solar wind, they turned to NASA's Advanced Composition Explorer (ACE), which is in interplanetary space outside the Earth's magnetosphere, approximately 1 million miles toward the sun. The ACE data showed that the speed of the solar wind stayed high during the sunspot minimum. Only later did it begin a steady decline, correlating to the timing of the decline in geomagnetic effects.
The next step was to understand what caused this decrease. The team found a culprit in something called coronal holes. Coronal holes are darker, colder areas within the sun's outer atmosphere. Fast solar wind shoots out the center of coronal holes at speeds up to 500 miles per second, but wind flowing out of the sides slows down as it expands into space.
"Usually, at solar minimum, the coronal holes are at the sun's poles," says Giuliana de Toma, a solar scientist at the National Center for Atmospheric Research whose research on this topic helped provide insight for this paper. "Therefore, Earth receives wind from only the edges of these holes, and it's not very fast. But in 2007 and 2008, the coronal holes were not confined to the poles as normal."
Those coronal holes lingered at low latitudes to the end of 2008. Consequently, the center of the holes stayed firmly pointed towards Earth, sending fast solar wind in Earth's direction. Only as they finally appeared closer to the poles in 2009 did the speed of the solar wind at Earth begin to slow down. And, of course, the geomagnetic effects and sightings of the aurora along with it.
Coronal holes seem to be responsible for minimizing the southward direction of the interplanetary magnetic field as well. The solar wind's magnetic fields oscillate on the journey from the sun to Earth. These fluctuations are known as Alfvén waves.
The wind coming out of the centers of the coronal holes has large fluctuations, meaning that the southward magnetic component – like that in all the directions - is fairly large. The wind that comes from the edges, however, has smaller fluctuations, and comparably smaller southward components. So, once again, coronal holes at lower latitudes would have a better chance of connecting with Earth's magnetosphere and causing geomagnetic effects, while mid-latitude holes would be less effective.
Working together, these three factors - low interplanetary magnetic field strength, combined with slower solar wind speed and smaller magnetic fluctuations due to coronal hole placement - create the perfect environment for a geomagnetic minimum.
Knowing what situations cause and suppress intense geomagnetic activity on Earth is a step toward better predicting when such events might happen.
To do so well, Tsurutani points out, requires observing the tight connection between such effects and the complex physics of the sun. "It's important to understand all of these features better," he says.
"To understand what causes low interplanetary magnetic fields and what causes coronal holes in general. This is all part of the solar cycle. And all part of what causes effects on Earth."
Desde 1611, os seres humanos têm registrado aumentos e diminuições de pontos pretos no sol. O número dessas manchas solares diminui ao longo de aproximadamente um ciclo de 11 anos - mais manchas solares geralmente significam maior atividade e erupções no sol e vice-versa. O número de manchas solares pode mudar de ciclo para ciclo, e em 2008 se viu o mínimo solar mais longo e mais fraco desde que os cientistas monitoram o sol com instrumentos baseados no espaço.
As observações têm mostrado, no entanto, que os efeitos magnéticos da Terra devidos ao sol, os efeitos que causam as auroras, não descrescem em sincronia com o ciclo de baixo magnetismo do sol. Agora, um artigo na Annales Geophysicae publicado em 16 de maio de 2011 relata que esses efeitos na Terra, de fato chegam a um mínimo - na verdade, eles atingiram seus níveis mais baixos do século - mas cerca de oito meses depois. Os cientistas acreditam que os fatores como a velocidade do vento solar, a força e a direção do campo magnético embutido dentro dele, ajudaram a produzir esta redução anômala.
"Historicamente, o mínimo solar é definido pelo número de manchas solares", diz o cientista de espaço e clima Bruce Tsurutani, do Laboratório de Propulsão a Jato da NASA em Pasadena, Califórnia, que é o principal autor no artigo. "Com base nisso, 2008 foi identificado como o período de mínimo solar. Mas os efeitos geomagnéticos da Terra atingiram o seu mínimo algum tempo depois, em 2009. Então nós decidimos investigar o que causou o mínimo geomagnético."
Efeitos geomagnéticos basicamente se relacional a eventuais alterações magnéticas na Terra, devido ao Sol, e eles são medidos através de leituras de magnetômetros na superfície da Terra. Tais efeitos são geralmente inofensivos, com o único sinal visível da sua presença sendo o aparecimento de auroras perto dos pólos. No entanto, em casos extremos, eles podem causar falhas de rede elétrica na Terra ou induzir correntes perigosas em longas linhas de transmissão, por isso é importante saber como os efeitos geomagnéticos variam com o sol.
Três coisas ajudam a determinar quanto da energia do sol é transferida para a magnetosfera da Terra a partir do vento solar: a velocidade do vento solar, a força do campo magnético fora dos limites da Terra (conhecido como o campo magnético interplanetário) e em que direção ele está apontando , uma vez que um grande componente dirigido ao sul é necessário para conectar com êxito a magnetosfera da Terra e fazer a transferência de energia. A equipe - que também incluí Walter Gonzalez e Ezequiel Echer do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais em São José dos Campos, Brasil - analisou cada componente.
Primeiro, os pesquisadores notaram que, em 2008 e 2009, o campo magnético interplanetário foi o menor da era espacial. Esta foi uma contribuição óbvia ao mínimo geomagnético. Mas desde que os efeitos geomagnéticos não caram em 2008, não poderiam ser o único fator.
Para analisar a velocidade do vento solar, eles recorreram ao Explorador de Composição Avançado da NASA (ACE), que fica no espaço interplanetário, fora da magnetosfera da Terra, cerca de 1 milhão de milhas em direção ao sol. Os dados da ACE mostraram que a velocidade do vento solar se manteve alta durante o mínimo de manchas solares. Só mais tarde é que começou um declínio constante, correlacionando com o momento da queda nos efeitos geomagnéticos.
O próximo passo foi entender o que causou essa queda. A equipe encontrou um causa em algo chamado buracos coronais. Buracos coronais são mais zonas mais frias e escuras na atmosfera exterior do sol. Vento solar veloz dispara do centro de buracos coronais a velocidades de até 500 quilômetros por segundo, mas o vento que flui para fora dos lados diminui à medida que se expande para o espaço.
"Geralmente, no mínimo solar, os buracos coronais estão em pólos do sol", diz Giuliana de Toma, cientista solar do Centro Nacional para Pesquisa Atmosférica, cujas pesquisas sobre o tema ajudaram a fornecer uma visão para este papel. "Portanto, a Terra só recebe vento das bordas destes furos, e não é muito veloz. Mas em 2007 e 2008, os buracos coronais não se limitaram aos pólos como normalmente."
Os buracos coronais permaneceram em baixas latitudes até o final de 2008. Consequentemente, o centro dos furos permaneceu firmemente apontado em direção à Terra, enviando vento solar rápido na direção da Terra. Só quando finalmente apareceu perto dos pólos, em 2009 a velocidade do vento solar na Terra começou a desacelerar. E, claro, os efeitos geomagnéticos e observações da aurora com ele.
Buracos coronais parecem ser responsáveis por reduzir bem a direção do sul do campo magnético interplanetário. O campo magnético do vento solar oscila na viagem do Sol à Terra. Estas flutuações são conhecidas como ondas Alfvén. O vento que sai dos centros dos buracos coronais tem grandes flutuações, o que significa que o componente magnético sul - como em todas as direções - é bastante grande.
O vento que vem dos lados, no entanto, tem flutuações menores, e comparativamente pequenos componentes para o sul. Então, mais uma vez, buracos coronais em latitudes mais baixas teriam uma melhor chance de se conectar com a magnetosfera da Terra e causar efeitos geomagnéticos, enquanto os buracos das latitudes médias seriam menos eficazes.
Trabalhando juntos, esses três fatores - intensidade do campo magnético interplanetário baixo, combinados com a velocidade mais lenta do vento solar e pequenas flutuações magnéticas devidas à ao buraco coronal - criam o ambiente perfeito para um mínimo geomagnético.
Conhecer as situações que causam e suprimem a atividade geomagnética intensa na Terra são um passo para uma melhor previsão de quando esses eventos podem acontecer. Para fazer isso bem, Tsurutani aponta que é necessário observar a estreita ligação entre tais efeitos e a complexidade física do sol.
"É importante entender todas essas características melhor", diz ele. "Compreender o que provoca baixos campos magnéticos interplanetários que causam buracos coronais em geral. Isto tudo é parte do ciclo solar. E tudo parte do que causa efeitos na Terra."
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