O que faz o campo magnético de Marte oscilar durante a noite marciana

Um modelo numérico mostrou que a instabilidade eletromagnética de Rayleigh-Taylor forma as irregularidades observadas na ionosfera de Marte. O estudo, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, confirma dados da sonda MAVEN, da NASA.

Konghan Jiang, Jiuhou Lei e Maodong Yan, pesquisadores do Laboratório de Exploração do Espaço Profundo da universidade, em Hefei, na China, assinam o estudo. A revista AGU Advances publicou o trabalho, e ele é o primeiro a simular a ionosfera marciana com um modelo que também acompanha a evolução do campo magnético, e não só da densidade de plasma.

A simulação recriou a região noturna da ionosfera, entre 130 e 170 quilômetros de altitude, e reproduziu variações de densidade de plasma entre 10% e 70% em relação ao valor de fundo. Junto com essas variações, o campo magnético mudou até 2 nanoteslas, valor próximo ao registrado pela sonda MAVEN.

Como a instabilidade de Rayleigh-Taylor cria as irregularidades

A instabilidade de Rayleigh-Taylor acontece quando um fluido mais denso fica sobre um mais leve e a gravidade os obriga a trocar de lugar. É parecido com o que ocorre ao despejar leite condensado sobre um café. O líquido mais denso desce em filetes finos, como dedos, em vez de se misturar de forma uniforme. No modelo, esses mesmos filetes se formam na base da camada de plasma mais densa da ionosfera marciana, por volta de 150 quilômetros de altitude.

O fenômeno ganha um componente magnético porque os íons e os elétrons da ionosfera de Marte se comportam de maneira diferente. Os íons colidem tanto com o gás neutro da atmosfera que praticamente não seguem o campo magnético, enquanto os elétrons permanecem presos a ele. Essa diferença gera correntes elétricas inclinadas, que por sua vez perturbam o campo magnético e empurram as estruturas de plasma na diagonal, e não apenas para cima.

A equipe simulou a camada dominada pelo oxigênio molecular ionizado (O2+), principal íon da baixa ionosfera marciana, com uma pequena ondulação inicial de 5% na densidade e comprimento de onda de 50 quilômetros. Esses valores representam o tamanho típico das perturbações causadas por ondas de gravidade atmosférica na ionosfera noturna de Marte, segundo dados prévios da própria MAVEN.

Marte não tem o escudo magnético da Terra

A Terra tem um campo magnético dipolar forte e estável, gerado no núcleo do planeta, e por isso os modelos usados para estudar a ionosfera terrestre por décadas puderam tratar o campo magnético como praticamente fixo. Essa simplificação, chamada de abordagem eletrostática, funciona bem porque as variações magnéticas na ionosfera da Terra são pequenas diante do campo de fundo.

Marte, por sua vez, perdeu seu campo magnético global há bilhões de anos e hoje só mantém faixas de magnetismo localizadas na crosta do planeta. Fora dessas regiões, o campo é fraco e muda com facilidade, o que torna as irregularidades marcianas eletromagnéticas por natureza. Abaixo de 200 quilômetros de altitude, a ionosfera de Marte se comporta de um jeito parecido com a camada E da ionosfera terrestre, onde os íons também ficam presos pelas colisões e os elétrons seguem o campo magnético.

O que o modelo confirma e onde ele ainda esbarra em limites

O resultado bate com o que a MAVEN já media na prática. Fowler e colegas relataram, em 2019, irregularidades marcianas com escala de 5 a 20 quilômetros e variações de densidade entre 10% e 75% do valor de fundo, faixas muito próximas às reproduzidas pelo modelo. Os autores também testaram perturbações iniciais entre 1% e 10% de amplitude e comprimentos de onda entre 10 e 50 quilômetros, e a escala das irregularidades e a intensidade do campo magnético simulado se mantiveram parecidas em todos os casos.

Os próprios pesquisadores apontam limites do modelo. Ele assume que o campo magnético é sempre horizontal, a orientação mais comum segundo levantamentos anteriores da MAVEN, e não inclui o componente vertical, que pode importar nas áreas de campo magnético da crosta.

A simulação também retrata um instantâneo da noite marciana, sem produção nem recombinação de plasma ao longo do tempo, e não um estado estável e contínuo da ionosfera. Uma comparação com o modelo eletrostático anterior, da mesma equipe, mostrou ainda que a versão antiga superestimava a intensidade das variações magnéticas, por não considerar a resposta do próprio campo elétrico às mudanças no plasma.

Por que isso importa para futuras missões e outros mundos

Irregularidades como essas desviam, prendem ou espalham partes de um sinal de rádio, o que interfere na comunicação e na navegação por satélite. Na Terra, esse efeito aparece nas cintilações que atrapalham o sinal de GPS. Em Marte, a mesma física se aplica aos sinais de rádio que atravessam a ionosfera do planeta.

Os autores do estudo apontam que o mesmo mecanismo, a instabilidade eletromagnética de Rayleigh-Taylor, pode se repetir em outros corpos do Sistema Solar com campo magnético fraco ou só parcial, como algumas luas, e até em exoplanetas com magnetismo semelhante. Ou seja, Marte funciona como laboratório natural para entender a ionosfera de mundos que não contam com um escudo magnético forte como o da Terra.