Arco-íris de Airglow em Ondas Gravíticas da Atmosfera captadas no Pico, vistas também pelo Satélite NOAA/NASA a partir do Espaço


 
Publicado como Astronomy Picture of the Day da NASA (APOD).

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 Durante a subida para a montanha mais alta de Portugal (2351m) – montanha do Pico, localizado na Ilha do Pico, Açores – com condições meteorológicas muito adversas devido a um temporal intenso com ventos fortes e chuva que se fez sentir durante quase toda a expedição fotográfica realizada com os meus colegas de equipa, parei a cerca de 1200 metros para apreciar a vista e fotografar as luzes provenientes da ilha do Faial, no meio do Oceano Atlântico, em uma rara ocasião de tréguas que permitiu fotografar a região visível da Via Láctea durante a época de inverno como pano de fundo a um céu estrelado mas que acima das nuvens baixas, exibia estranhas “bandas de arco-íris” provenientes da forte presença de Airglow – Luminescência Fotoquímica da Atmosfera. No topo superior esquerdo da imagem, é ainda visível a Galáxia de Andromeda M31. O ar brilha o tempo todo, mas geralmente é difícil de observar a olho nu. No entanto, uma perturbação atmosférica – como uma tempestade que se aproxime – pode causar uma ondulação perceptível na atmosfera da Terra. As bandas são na realidade enormes estruturas paralelas na termosfera acima de cerca de 90 km de altitude. Através do efeito de perspectiva é nos transmitida a sensação de que parecem convergir. As ondas de gravidade atmosférica * (não confundir com ondas gravitacionais relacionadas com Einstein) propagam-se para cima a partir de perturbações menores produzidas na baixa atmosfera e parecem ser o motivo para o aparecimento das bandas no Airglow. A amplitude da onda aumenta com a altura (redução da densidade) e os comprimentos de onda podem ser de milhares de quilómetros.

Dr. Martin Setvák do Czech Hydrometeorological Institute Satellite Department, em Praga, República Checa, após ver a imagem solicitou de imediato os dados do satélite Suomi NPP-VIIRS e percebeu que as ondas de gravidade atmosférica foram registadas pelo instrumento a bordo do satélite NOAA / NASA Soumi-NPP em uma imagem designada de Day/Night Band (DNB). As estruturas das bandas podem ser vistas na imagem abaixo em escala de cinzentos, e foram registadas acima das ilhas do Pico e Faial, nos Açores, Portugal.

 




Airglow é a luz eletronicamente excitada dos átomos e moléculas em altas altitudes na atmosfera da Terra, por radiação ultra-violeta solar. Na primeira imagem captada no Pico, podemos ver quase todas as cores possíveis que o airglow pode assumir, mas aparecendo em uma única banda ou faixa, da onda gravítica atmosférica. Abaixo, é possível ver uma info-grafia do espectro do Airglow explicado pelo Dr. Les Cowley especialista do Atmospheric Optics. A luz verde está relacionada com átomos de oxigénio excitados e domina o brilho do Airglow. Os átomos estão entre os 90-100 km (56-62 milhas) de altura na termosfera. A luz vermelha mais fraca é emitida a partir de átomos de oxigénio mais acima. 


AirglowSpectrum-ByLesCowley-ESO

 

Dr. Steve Smith, cientista investigador sénior do Centro de Física Espacial da Universidade de Boston, é um especialista em airglow e explicou o fenómeno raro captado nestas imagens: “A foto é quase de outro mundo, mas é realmente uma foto de duas, ou talvez três camadas de airglow com ondas de gravidade que se propagam através delas na mesosfera superior. O verde é mais provável devido ao oxigênio atómico perto de 96 km. O vermelho é provavelmente devido a hidroxila (OH) perto de 87 km. Possivelmente o sódio está a cerca de 90 km também, mas o laranja pode ser apenas a resposta do sistema para a combinação do airglow vermelho e verde. A aparência do arco-íris impressionante dos padrões é facilmente explicada. Uma onda de gravidade propaga-se para cima em um certo ângulo e porque as camadas de airglow encontram-se em altitudes um pouco diferentes, as ondas chegam a cada camada com tempos ligeiramente diferentes. O tamanho da escala vertical das ondas de gravidade também é muito maior do que as diferenças de altura entre as camadas: OH = 87 km | Na = 90 km | O2 = 94 km | OI = 96 km.

No meu trabalho, eu tiro proveito no facto de existir uma separação de altitude das quatro camadas de airglow mais brilhantes, para determinar os tamanhos da escala e outras coisas associadas com a Onda Gravítica. Às vezes, o oxigénio atómico também pode produzir emissões de vermelho. Isto ocorre nas alturas de maior atividade auroral particularmente em altas latitudes, mas, ocasionalmente também pode ocorrer nas latitudes médias durante auroras fortes. Esta emissão OI na linha-vermelha do espectro, tem origem a partir de 250 km de altitude (muito mais alto) na termosfera da Terra e não corresponde a padrões de onda observados na emissão OI da linha-verde do espectro.

A atividade solar tem pouco efeito sobre a atividade de ondas de gravidade na mesosfera, pelo menos na latitude dos Açores. Pode haver contudo, efeitos em altas latitudes. A actividade solar que é também vista no disco do sol não tem necessariamente um impacto na Terra. Flares e outros fenómenos solares que são ricos em raios-x e radiação UV, podem causar efeitos imediatos na atmosfera superior da Terra. Além disso, mesmo que uma Ejecção de Massa Coronal (CME) seja observada no sol, poderá não afetar a Terra, pois muitas delas costumam perder-nos por causa da rotação do sol. O índice Kp – uma medida da atividade solar – estava em 2-3 no dia em que a imagem foi captada, o que significa um tempo relativamente calmo na actividade solar. No local dos Açores, seria necessário um índice Kp de 6-7 para ver emissões relacionadas com auroras.”

Dr. Steven D. Miller, cientista investigador sénior – Director Adjunto do Instituto Cooperativo de Pesquisa da AtmosferaUniversidade Estadual do Colorado, EUA, comentou o facto de que as fotos foram tiradas em alta altitude e que esta seria provavelmente a razão pela qual os verdes são vistos de um modo mais nítido na imagem, uma vez que o oxigénio na atmosfera mais baixa vai absorver uma parte dessa emissão.

Dr. Les Cowley, explica na página Atmospheric Optics que: “o vermelho/laranja poderia ser ainda mais airglow proveniente de oxigénio, desta vez a partir de átomos entre os 150-300km de altitude, onde a atmosfera é tão escassa e as colisões tão raras que os átomos têm tempo para irradiar luz “proibida” (1D -> 3P) antes de perder a sua excitação electrónica em impactos com outros átomos e moléculas. O airglow de tonalidade vermelho profundo é provável que seja a emissão dos radicais OH excitados numa camada de aproximadamente 86 km de altura. Airglow azul é muito, muito mais fraco e por isso não é muito óbvio na imagem. Oxigénio molecular excitado a aproximadamente 95 km de altitude poderá produzi-lo. A excitação é indirecta. Os caminhos possíveis serão via dissociação da luz do dia N2 e NO ou da re-combinação do crepúsculo do NO+ cujos produtos de reação geram O2 excitado. O oxigénio então se deteriora emitindo um multi-comprimento de onda azul da radiação em banda (bandas Herzberg).”



Depois de receber por parte do Dr. Martin os primeiros resultados do satélite Suomi-NPP VIIRS, eu decidi começar a processar mais 12 imagens tiradas no mesmo local e momento, para criar uma panorâmica com uma visão mais ampla – cerca de 200º de largura – onde é assim claramente visível a atividade do Airglow combinada com fortes ondulações das ondas de gravidade atmosférica que ocorreram em uma enorme parte do céu de Oeste para Nordeste (da esquerda para a direita da imagem). Ao mesmo tempo, o Dr. Martin Stevák iniciava a fase final do processamento das imagens captadas pelo satélite Suomi-NPP VIIRS, mas desta vez em diferentes bandas como se pode ser no resultado abaixo, onde estão apresentadas numa projeção “Transversa de Mercator”, centrado em 38.5N 28W (Açores) e re-mapeado para uma escala a que cada 1 km, equivale ao tamanho de um pixel na imagem.

20151117_0305-UTC_NPP-VIIRS_TM-1KM_DNB-netDNB image
20151117_0305-UTC_NPP-VIIRS_TM-1KM_M15-netM15 IR band image
20151117_0305-UTC_NPP-VIIRS_TM-1KM_Night-Microphysical-RGB-netNight-Microphysical RGB image
Legenda original das imagens acima apresentadas EN: NOAA/NASA Suomi-NPP satellite images taken approx. at 03:05 UTC. In DNB band, the waves in airglow (nightglow) appear as bands transverse to the jet-stream, passing above the Azores region. To discriminate the airglow waves from cloud formations, it is essential to compare the DNB image with other satellite bands, such as M15 IR band, or even better with more advanced image products, such as Night-Microphysical RGB image. Data: NOAA CLASS archive, processed by Martin Setvák from Satellite Dept. of the Czech Hydrometeorological Institute. Data processing: ENVI, VCTK plugin and Adobe Photoshop CS5.

Em baixo, é possível ver uma comparação de imagens captadas por mim a partir da ilha do Pico, Açores (circulo amarelo do gráfico), versus as imagens captadas pelo equipamento a bordo do satélite NOAA / NASA Suomi-NPP, com uma vista a partir do espaço, de imagens captadas aproximadamente ao mesmo tempo.

 


More information about Suomi-NPP satellite and its bands can be found on the following links: 
http://www.nasa.gov/mission_pages/NPP/main/index.html | http://npp.gsfc.nasa.gov/suomi.html | http://rammb.cira.colostate.edu/projects/npp/http://www.pnas.org/content/109/39/15706.full.pdf | http://www.mdpi.com/2072-4292/5/12/6717 

And basic information about RGB image products can be found here:

Em baixo, está uma ilustração de uma combinação de Google Maps da região dos Açores e do software planetário Stellarium, onde é possível demonstrar através do ponto amarelo, onde eu estava localizado na ilha e que para que direção a minha câmara estava direcionada para o céu no momento das imagens – como podemos ver na ilustração à direita.


Um paper científico recentemente publicado por três dos cientistas que elaboraram o comentário e analise detalhada a esta imagem que captei na montanha do Pico – Dr. Steven D. Miller, Dr. Martin Setvák e Dr. Steve Smith entre outros co-autores, explica em que consistem exactamente esta Ondas Gravíticas na Atmosfera, um fenómeno que está ainda a ser estudado pela comunidade científica, com auxílio da análise de imagens do satélite resultante da cooperação entre NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) e a NASA (National Aeronautics and Space Administration).

“Gravity waves (disturbances to the density structure of the atmosphere whose restoring forces are gravity and buoyancy) comprise the principal form of energy exchange between the lower and upper atmosphere. Wave breaking drives the mean upper atmospheric circulation, determining boundary conditions to stratospheric processes, which in turn influence tropospheric weather and climate patterns on various spatial and temporal scales. Despite their recognized importance, very little is known about upper-level gravity wave characteristics. The knowledge gap is mainly due to lack of global, high-resolution observations from currently available satellite observing systems. The capability of the Day/Night Band (DNB) on the NOAA/NASA Suomi National Polar-orbiting Partnership environmental satellite to resolve gravity structures near the mesopause via nightglow emissions at unprecedented subkilometric detail, are impressive. On moonless nights, the Day/Night Band observations provide all-weather viewing of waves as they modulate the nightglow layer located near the mesopause (∼90 km above mean sea level). These waves are launched by a variety of physical mechanisms, ranging from orography to convection, intensifying fronts, and even seismic and volcanic events. Cross-referencing the Day/Night Band imagery with conventional thermal infrared imagery also available helps to discern nightglow structures and in some cases to attribute their sources. The capability stands to advance our basic understanding of a critical yet poorly constrained driver of the atmospheric circulation. More about this study and scientific paper which includes the picture of my TWAN colleague Jeff Dai , led by Dr. Steven D. Miller, Dr. Martin Setvák, Dr. Steve Smith and others…

Em baixo, as fotografias dos extremos – em escala de cinzentos – são as imagens DNB captadas pelo Suomi-NPP VIIRS a partir do espaço e acima da ilha do Pico, Açores, em 17 de novembro de 2015 pelas 02h05AM (03h05 GMT. Hora local para os Açores é GMT-1), aproximadamente no mesmo momento em que tirei as fotos a partir da Terra, entre 1h43 e 2h00AM, apontando para a mesma direção do céu. As ondas podem mudar rapidamente ao longo de uma hora, por isso os cientistas estão inclinados para uma onda muito expansiva, teoria que parece ser consistente com uma força de grande escala originada por exemplo, por um sistema frontal. A imagem DNB mostra as ondas de gravidade atmosféricas acima da ilha do Pico e Faial.


EN: Suomi NPP is in orbit around Earth at 834 kilometers (about 518 miles), well above the nightglow layer. The day-night band imagery contains signals from the upward emission of the nightglow layer and the reflection of the nightglow emissions from clouds and Earth’s surface. While nightglow is a well-known phenomenon, it is not typically considered by meteorological sensors. In fact, scientists were surprised at Suomi NPP’s ability to detect it. During the satellite’s check-out procedures, scientists thought this light source was a problem with the sensor until they realized that they were seeing the faintest light in the darkness of night. Learn more about the VIIRS day-night band and nighttime imaging of Earth in this story: Out of the Blue and Into the Black.

In conclusion, Dr. Steven D. Miller,  has shared his thoughts related to this picture and beyond…by saying: “is that it would be very nice to have such observations on a geostationary satellite platform so as to be able to observe the wave motion and from that information infer important properties of the energy transfer.  The community has a growing interest for such observations now that we are seeing them in “snapshot mode” from the Day/Night Band.  The hope is that the publicity gained by such nice photos as yours will help to raise awareness on our need to better characterize the full atmospheric circulation if we hope to represent climate processes accurately in the models we appeal to for insight on climate change.”

O resultado desta imagem, foi também publicado num Poster do Dr. Martin Setvák e Dr. Steven D. Miller intitulado: 

“Disturbances in nightglow , induced by atmospheric gravity waves, as observed in S-NPP Day/Night Band Imagery.”

PT: O projecto TWAN (The World at Night) tem agora uma das melhores e mais completas coleções do mundo de fenómenos atmosféricos e celestes captados com qualidade distinta. Com muitos pontos de vista diferentes do airglow e das ondas gravíticas captadas por fotógrafos do TWAN espalhados ao redor do globo em diferentes latitudes, de futuro esta poderá tornar-se uma importante ferramenta a favor da ciência para ajudar os investigadores a compreender melhor este fenómeno atmosférico, como pode ser visto a partir de diferentes lugares da planeta e com imagens que visam a união entre a paisagem e a esfera celeste.

O astrónomo profissional e fotógrafo do TWAN Yuri Beletsky, em resposta a uma interessante pergunta feita pelo nosso colega Anthony Ayiomamitis sobre como é que o airglow poderia interferir no trabalho profissional feito por astrónomos em locais com telescópios como o ESO – Observatório Europeu do Sul, referiu que: “realmente depende de muitos factores (fotografia vs espectroscopia, campo de visão, a sobreposição com linhas espectroscópicas interessantes, etc ..) Portanto, a resposta é – que afecta as observações, mas não afecta necessariamente um caso científico específico que você esteja a tentar resolver usando essas observações. “

* “Drop a stone into a pool of water. The spreading ripples are gravity waves. The waves occur between any stable layers of fluids of different density. When the fluid boundary is disturbed, buoyancy forces try to restore the equilibrium. The fluid returns to its original shape, overshoots and oscillations then set in which propagate as waves. Gravity or buoyancy is the restoring force hence the term – gravity waves.”

Fotografias do airglow, depoimentos compilados e texto © Miguel Claro – O artigo foi escrito numa versão completa originalmente em inglês sendo que o que aqui é apresentado é uma tradução para português de uma versão ligeiramente mais reduzida e com base nas informações recolhidas da colaboração de cada especialista e interveniente na análise e comentário das imagens aqui publicadas, e que foram especificamente mencionados ao longo do texto. O texto original em inglês foi publicado com o conhecimento de todos os intervenientes e respectiva revisão. Para uma compreensão mais técnica ou científica do conteúdo aqui traduzido, aconselha-se a leitura do texto original.

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