Pesquisadores da colaboração científica internacional GRAPES-3 descobriram que a aparente concentração de 81,5% das tempestades elétricas no setor leste de um observatório na Índia decorre da ação do campo magnético da Terra sobre partículas cósmicas, e não de um padrão meteorológico real. O estudo desmonta uma discrepância observada ao longo de quase dez anos em medições atmosféricas.
Os dados foram publicados na sexta-feira (2) no periódico Journal of Cosmology and Astroparticle Physics por cientistas do Instituto Tata de Pesquisa Fundamental, sediado na Índia. “Os raios cósmicos que detectamos no nível do solo consistem predominantemente de múons”, afirmou o físico Sunil K. Gupta, coautor do trabalho, em tradução livre.
Por que as tempestades pareciam se concentrar no leste?
O telescópio de múons GRAPES-3, instalado a 2.200 metros de altitude na cidade de Ooty, no estado de Tamil Nadu, registrou 487 tempestades elétricas entre abril de 2011 e dezembro de 2020. Desse total acumulado, 81,5% dos eventos constavam no setor leste do campo de visão do equipamento, enquanto somente 13,7% apareciam no quadrante oeste, configurando uma desproporção de quase seis para um na amostragem recolhida.
A equipe liderada pelo físico B. Hariharan verificou se o desequilíbrio refletia um comportamento atmosférico local ou uma falha de calibração do instrumento. Para esclarecer a dúvida, os cientistas confrontaram as leituras com quatro medidores de campo elétrico terrestres distribuídos em um raio de 6 quilômetros da estação. Esses aparelhos meteorológicos independentes registraram 848 episódios de tempestades se deslocando para o oeste e 712 para o leste durante o mesmo intervalo de anos, o que descartou prontamente qualquer viés climático real.
A explicação física reside na chamada rigidez de corte geomagnético. Conforme os raios cósmicos primários, compostos em sua maioria por prótons com carga positiva, penetram a magnetosfera terrestre, a blindagem magnética desvia essas partículas com intensidades desiguais a depender do ângulo de incidência. No ponto geográfico de Ooty, a barreira do planeta filtra com maior rigor as partículas de menor energia que ingressam pelo leste, criando uma composição de subprodutos bastante divergente em cada lado do horizonte.
A física dos múons sob nuvens carregadas
Quando as partículas espaciais colidem com átomos das camadas superiores do ar, desencadeiam cascatas secundárias de partículas subatômicas, dentre as quais se destacam os múons, que viajam em velocidade próxima à da luz até alcançar a superfície. O detector indiano ocupa uma área de 560 metros quadrados sob uma densa blindagem protetora de concreto e contabiliza cerca de 4 bilhões de múons por dia. Como os prótons espaciais originais são positivos, a quantidade de múons positivos detectados no solo também supera a de negativos.
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Dentro das nuvens de chuva, campos elétricos maciços atuam sobre essa chuva invisível: a força eletrostática freia as partículas positivas e acelera as negativas. Como a quantidade de cada carga não é idêntica, a passagem por uma nuvem carregada altera a contagem final registrada no solo. Essa oscilação fornece uma forma indireta e não invasiva de sondar as propriedades elétricas da tempestade sem arriscar aeronaves dentro das formações nebulosas.
Por causa da filtragem imposta pelo campo magnético da Terra, a razão calculada entre múons positivos e negativos no observatório GRAPES-3 chega a 1,37 na direção leste e cai para aproximadamente 1,14 no oeste. Quanto mais distante da neutralidade for essa proporção, mais evidente se torna o sinal gerado pela passagem do campo elétrico da nuvem, ampliando artificialmente a sensibilidade do equipamento voltado ao quadrante leste.
Simulações computacionais de Monte Carlo pelo programa CORSIKA confirmaram a origem instrumental do desvio. Ao programarem uma razão de cargas constante em todas as direções nas simulações, os pesquisadores viram a assimetria leste-oeste desaparecer. O desequilíbrio só se repetia nos modelos quando a assimetria de carga real provocada pelo magnetismo terrestre era inserida nos cálculos matemáticos da propagação atmosférica.
Dimensões e parâmetros técnicos do telescópio GRAPES-3
- Área de detecção: 560 metros quadrados protegidos por blindagem de concreto
- Volume diário de dados: aproximadamente 4 bilhões de múons registrados por dia
- Altitude da estação: 2.200 metros acima do nível do mar em Ooty, Tamil Nadu, na Índia
- Potencial elétrico recorde medido em nuvens: 1,3 gigavolt em tempestade analisada pelo grupo
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Cronologia das pesquisas de eletricidade atmosférica com múons
- 1927 — O físico escocês Charles Thomson Rees Wilson recebe o Prêmio Nobel de Física após formular a hipótese teórica de que nuvens acumulam potenciais elétricos da ordem de gigavolts
- 15 de março de 2019 — A colaboração GRAPES-3 publica estudo na revista Physical Review Letters registrando potencial elétrico recorde de 1,3 gigavolt em nuvem de tempestade
- 27 de março de 2026 — O manuscrito com a elucidação da assimetria direcional das tempestades é submetido pelos pesquisadores ao repositório científico arXiv
- 2 de outubro de 2026 — O Journal of Cosmology and Astroparticle Physics publica a versão revisada que comprova o efeito do corte geomagnético no telescópio de Ooty
Alcance da técnica e calibração de instrumentos remotos
A confirmação do mecanismo geomagnético valida medições anteriores do observatório indiano, operado em cooperação com as universidades japonesas de Nagoya e Chubu. Em 2019, o telescópio mediu uma tensão elétrica de 1,3 gigavolt em uma tempestade. Esse volume é dez vezes superior aos 130 milhões de volts normalmente aferidos por sondagens diretas conduzidas por balões meteorológicos e aviões instrumentados, aparelhos que encontram restrições operacionais para atravessar o núcleo das tempestades mais turbulentas.
O aperfeiçoamento matemático impede que futuros levantamentos meteorológicos tomem as contagens de partículas como reflexo direto da quantidade de nuvens em uma direção. Antes de empregar a técnica em outras regiões com carência de radares em terra, as equipes científicas necessitam recalcular o corte magnético e a proporção de múons segundo a latitude e a altitude específicas de cada instalação.
Os próximos passos do consórcio científico envolvem o teste das equações de calibração em diferentes variações atmosféricas e ângulos de observação zenitais na estação de Ooty.