Ângelo Antônio Leithold

Ângelo Antônio Leithold
A IONOSFERA, UMA BREVE DESCRIÇÃO
Curitiba, maio de 1995
1. Objetivo
© py5aal O presente artigo tem o objetivo de
propiciar uma descrição básica e resumida sobre
a Ionosfera, notadamente na região brasileira.
© py5aal Assim, o estudante e o pesquisador
podem ter pontos de partida para seus estudos.
© py5aal Procurei não me ater a detalhes nem a
formalismos, muito menos a descrever
pormenorizadamente os fenômenos relatados.
Cabe a quem busca encontrá-los na literatura
sugerida nas referências.
2. A Ionosfera, uma breve descrição.
© py5aal O maior agente de ionização da
ionosfera, é o Sol, cuja radiação nas bandas de
raio X, e ultravioleta, insere grande quantidade
de elétrons livres em seu meio. Os meteoritos e
raios cósmicos também são responsáveis pela
presença secundária de íons na região. Na
ionosfera a densidade de elétrons livres é
variável de acordo com a hora do dia, estação
do ano, e ás variações da composição química
da alta atmosfera. A cada 11 anos, obedecendo
ao ciclo das manchas solares, a densidade de
elétrons e a composição da ionosfera sofrem
mudanças radicais, podendo inclusive bloquear
totalmente as comunicações em HF. A
composição da atmosfera, a partir dos cem
quilômetros de altitude, embora tênue, varia, já
que os gases estratificam-se. Por exemplo os
gases, O2, O, N2, N, absorvem radiações
quantitativamente, uma vez que o nível de
absorção varia conforme a densidade destes, a
densidade de ionização varia proporcionalmente
com a altura formando desta forma camadas de
absorção distintas e variáveis, conforme a hora
do dia. © py5aal Nas zonas mais baixas os
elétrons livres e íons tendem a reduzir bastante,
pois sempre a recombinação prevalecerá sobre a
ionização, devida maior densidade de partículas.
Nas zonas mais altas é muito baixa a densidade
de gases, moléculas e átomos, a quantidade de
radiação, ou seja a energia provinda do espaço é
muito alta, porém, não existem gases, átomos,
ou moléculas livres o suficiente para ser
ionizadas, portanto só haverá ionização à
medida que se mergulha na atmosfera, até uma
certa profundidade, assumindo-se, por exemplo,
a atmosfera fluídica.
© py5aal A propagação de ondas
eletromagnéticas no plasma ionosférico, se
comporta analogamente como ondas sônicas
dentro de fluídos de diferentes densidades. Ora
refletindo, ora refratando, ora sem oferecer
resistência alguma, e ora refletindo e refratando
ao mesmo tempo. Num plasma com N colisões
elétron – partículas © py5aal (íons, átomos,
moléculas,elétrons, neutrinos, etc), levando-se
em conta o movimento térmico dos elétrons,
pode-se dizer que tem ora características fluidas,
ora características sólidas, pois o plasma não é
líquido, nem sólido, tampouco gasoso, portanto,
comporta-se de maneira anômala aos nossos
sentidos, porém fácil de ser analisado e
rastreado seu comportamento matematicamente.
A densidade da ionosfera se mede por n elétrons
por metro cúbico, portanto, tem volume, e
densidade. Despreza-se na prática (Neste caso)
os efeitos térmicos, e efeitos gravitacionais por
esses ser desprezíveis para o entendimento dos
mecanismos de propagação e reflexão
ionosférica, embora sejam de suma importância
para as comunicações de rádio, principalmente
nas altas freqüências. A ionosfera, dependendo
da hora do dia ou da insolação, isto é da
quantidade de energia eletromagnética provinda
do sol, principalmente nas bandas de raios x e
raios ultra-violeta, separa-se em camadas. Isso
ocorre devido à absorção de energia, que vai
fazer com que se separem as camadas de acordo
com o nível energético que o plasma ionosférico
absorveu.
© py5aal No plasma ionosférico encontramos
condutividade e permissividade elétrica , isto é,
em alguns momentos se comporta como um
condutor elétrico, por exemplo, como se fosse
uma placa metálica, porém sintonizada em
determinadas freqüências, onde uma vez se
comportando como tal, pode perfeitamente
refletir determinados comprimentos de onda
sem problema algum, e praticamente sem
perdas, absorver outros comprimentos de onda
inutilizando totalmente a propagação destas. A
reflexão é exatamente uma das propriedades
exploradas na comunicação, usando-se a antena
com refletor apontada para a ionosfera, daí a
importância de se conhecer os fenômenos
ionosféricos e as propriedades operacionais das
ionossondas (antenas direcionais apontadas
diretamente para a ionosfera). O princípio da
reflexão ionosférica é utilizado há muitos anos
para pesquisas, porém pouco utilizado ainda nas
conversas quotidianas, devido ao pouco alcance
que oferece às comunicações, pois não serve
para contatos de longas distâncias (chamados
DX), devido ângulo de partida do lóbulo
principal que está apontado diretamente para
cima, e uma vez que a antena possui um
refletor, além da terra diretamente abaixo, os
ângulos de partida dos lóbulos secundários,
também estão direcionados praticamente na
vertical, fechando toda e qualquer possibilidade
de reflexão tangenciando a superfície da Terra,
aumentando, e muito a qualidade do sinal até
distâncias medianas, pois as camadas
ionosféricas, uma a uma, refletem o sinal
diretamente para baixo, e a terra para cima,
fazendo uma armadilha para a radiofreqüência,
ampliando e muito o sinal, fazendo com que a
antena se comporte como se a somatória dos
lóbulos principal e secundários formasse uma
semi esfera de 180 graus, deixando-a
onidirecional, ficando com uma qualidade de
transmissão e de recepção excepcional. Daí a
importância do conhecimento e do uso das
camadas que se formam durante o dia e da
densidade das que restam durante a noite. ©
py5aal Durante a noite as camadas “D” e “E”,
conforme gráfico abaixo, perdem sua densidade
em elétrons livres, devido a diminuição da
ionização pelo Sol, porém, elas não deixam de
existir, elas perdem a densidade e aumentam a
altitude.
© py5aal Durante o dia o aumento de densidade
é significativo, conseqüentemente, a altitude
diminui, verificar gráficos abaixo. Essa elevação
das camadas durante a noite, propicia um
aumento da propagação a longa distância, pois a
RF refletirá mais acima.Existe também, durante
o dia, uma atenuação maior do sinal, conforme
gráficos abaixo, Mas ao mesmo tempo que o
sinal se atenua pelo aumento da densidade,
também refletirá mais, justamente devido à este
aumento.
© py5aal Os fenômenos descritos acima são de
grande valia para usar a ionosfera como refletor,
além de perder-se menos sinais na transmissão
apesar da atenuação ser bem maior durante o
dia, recebe-se os sinais com mais intensidade,
pois aí também rege a lei da reciprocidade, onde
o que vale para a transmissão vale para a
recepção.
© py5aal No Brasil, a pesquisa da ionosfera é
principalmente executada pela Divisão de
Aeronomia do INPE. Iniciou em 1963, através
da recepção de sinais de satélites. Em 1973
iniciou-se em Cachoeira Paulista,SP, a pesquisa
através de ionosondas. Em 1975 foi a vez de
Fortaleza, CE. Em 1984 o Ministério da
Aeronáutica autorizou o CTA a efetuar
experiências e sondagens com foguetes e
equipamentos desenvolvidos pelo INPE. A
Universidade Estadual do Maranhão juntamente
com o INPE recentemente, construíram um
observatório espacial em São Luis, MA. Onde
está instalada uma digissonda, e está sendo
terminado um radar de espalhamento coerente
(ESCO) cuja prioridade é estudar o
comportamento da ionosfera e seus fenômenos
sobre o Brasil, dentre eles é executado o estudo
do comportamento dos processos dinâmicos,
eletrodinâmicos e químicos do plasma
ionosférico. Os dados de sensoriamento remoto
da ionosfera são obtidos utilizando foguetes,
satélites, sistemas de modelagem e simulação
dos processos ionosféricos e termosféricos.
© py5aal A cada 11 anos, obedecendo ao Ciclo
Solar, a densidade de elétrons e a composição
da ionosfera sofrem mudanças radicais. Muitas
vezes estas mudanças bloqueiam totalmente as
comunicações
em alta freqüência.
A
composição da atmosfera a partir dos cem
quilômetros de altitude, embora tênue, varia. Os
gases © py5aal O2; O; N2; N na alta atmosfera
estratificam-se
e
absorvem
radiações
quantitativamente, uma vez que o nível de
absorção varia conforme sua densidade. A
densidade de ionização varia proporcionalmente
com a altura formando desta forma camadas de
absorção distintas e variáveis, conforme a hora
do dia, temperatura e irradiação solar.
© py5aal Nas zonas mais baixas da atmosfera,
os elétrons livres e íons desaparecem. Isto
ocorre devido à maior densidade de partículas,
portanto, a recombinação prevalecerá sobre a
ionização. A densidade dos gases nas zonas
mais altas é muito baixa. A quantidade de
radiação, ou seja, a energia vinda do espaço é
muito grande até determinada altitude, contudo,
não existem gases, átomos, ou moléculas livres
suficientemente para serem ionizadas. Só haverá
ionização à medida em que mergulhamos na
atmosfera, até uma certa profundidade limítrofe.
© py5aal A propagação de ondas
eletromagnéticas no plasma ionosférico, se
comporta analogamente como ondas sônicas
dentro de fluídos de diferentes densidades. Ora
refletindo, ora refratando, ora sem oferecer
resistência alguma. Num plasma com n colisões
por segundo de partículas, entre estas: íons;
átomos; moléculas; elétrons; neutrinos; etc, o
movimento termo-eletrônico tem características
ora fluidas, ora sólidas, ora gasosas. O plasma
ionosférico não é líquido, nem sólido, tampouco
gasoso, seu comportamento é difícil de prever,
por isso as previsões de condições de
propagação de radiofreqüência são tão
complexas. A ionosfera dependendo da hora do
dia ou da insolação, nas bandas de Raio-X e
radiação ultra-violeta, separa-se em camadas,
isso ocorre devido à absorção energética de seus
componentes.
No
plasma
ionosférico
encontramos
condutividade
iônica
e
permessividade eletromagnética , isto é, em
alguns momentos parece se comportar como um
condutor elétrico ou placa metálica, em outros
pode se comportar como um condutor
sintonizado em determinadas freqüências
podendo refletir determinados comprimentos de
onda praticamente sem perdas, absorver outros
comprimentos de onda inutilizando totalmente a
propagação destas.
© py5aal A reflexão ionosférica é explorada
por sistemas de radiodifusão com as antenas de
transmissão em ângulo baixo. As propriedades
operacionais
das
ionossondas (sistemas
compostos de transmissores, receptores e
antenas direcionais apontadas diretamente para
a ionosfera) propiciam um conhecimento do
comportamento da região. O princípio da
reflexão ionosférica em ângulos altos é utilizado
há muitos anos para pesquisas, porém pouco
utilizado nas comunicações. O efeito
ocasionado por inúmeras camadas sucessivas de
ionização leva à reflexão das ondas de rádio.
Este efeito ocorre sobre uma faixa de alturas
estreita e em baixas freqüências, onde, ou os
raios refratam, ou refletem. No caso da refração
a distância atingida por estes é apreciável,
chegando a milhares de quilômetros. No caso da
reflexão, esta não ultrapassa a algumas centenas
de quilômetros.
© py5aal O espalhamento fraco e incoerente de
energia ocorre devido às flutuações térmicas e
aleatórias da densidade eletrônica no plasma
ionosférico. Este espalhamento tem sua
eficiência aumentada pelas irregularidades
ionosféricas e pelo aumento da densidade
iônica.Estas irregularidades dão origem a sinais
de espalhamento direto e sinais de
retroespalhamento (reflexão). No caso da
reflexão direta, não há canalização, já no caso
do espalhamento, ocorre a refração e a
canalização ou dutificação dos sinais.Pode
ocorrer a canalização, onde o sinal refrata e
reflete ao mesmo tempo dentro de regiões
irregulares do campo alinhado acima da região
F também.A reflexão ionosférica pode levar ao
fenômeno da cintilação, isto ocorre devido à
atuação dos sinais perante as irregularidades
ionosféricas que atual como uma tela de fase
variável nos sinais transionosféricos de fontes.
Esta tela eletrônica dá origem à efeitos de
difração com cintilação de amplitude, ângulo de
chegada e fase. Portanto, num meio variável
onde ocorrem densidades variáveis, ocorre o
fenômeno da reflexão, refração e difração dos
sinais de radiofreqüência. Fenômenos ocorridos
na faixa de freqüência de HF e faixa inferior
VHF.
© py5aal Durante o dia o aumento da densidade
ionosférica é significativo, conseqüentemente, a
altitude da região diminui. À noite com a
diminuição da densidade, a ionosfera aumenta
sua altitude ficando mais tênue, propiciando um
aumento da propagação de ondas. Do solo para
cima a ionosfera se divide em camadas de
ionização. Estas variam conforme a hora do dia,
estações do ano e condições solares. As
camadas iônicas da ionosfera são: D;E;F1;F2; A
região D, ou camada D é a mais próxima ao
solo, fica entre os 50 e 80 km, é a que absorve a
maior quantidade de energia eletromagnética,
seu comportamento é diurno, aparece no
momento em que as moléculas começam a
adquirir energia solar. Esta camada permanece
por alguns instantes no início da noite.
Ionicamente é a menos energética. É a
responsável pela absorção das ondas de rádio
durante o dia. A camada E se situa acima da
camada D, embaixo das camadas F1 e F2, sua
altitude média é entre os 80 e os 100-140km.
Semelhante à camada D, durante o dia se forma
e se mantém durante a noite se dissipa.
© py5aal Em algumas ocasiões, dependendo
das condições de vento solar e energia absorvida
durante o dia, a camada E pode permanecer
esporadicamente à noite, quando isto ocorre é
chamada de camada E Esporádica. Esta camada
tem a particularidade de ficar mais ativa quanto
mais perpendiculares são os raios solares que
incidem sobre si.
© py5aal A camada F1 está acima da camada E
e abaixo da camada F2 ~100-140 até ~200 Km.
Existe
durante
os
horários
diurnos,
acompanhando o comportamento da camada E,
podendo esporadicamente estar presente à noite.
Serve de refletora em determinadas freqüências,
esta reflexão varia conforme a espessura que
adquire ao receber energia solar. Normalmente a
radiofreqüência incidente que atravessa a
camada E, atravessa a F1. Ao fazê-lo refrata-se,
alterando seu ângulo de incidência sobre a
camada F2, refletindo nesta. A camada F2, está
entre os 200 e 400km de altitude. Acima da F1,
E, e D respectivamente. É o principal meio de
reflexão ionosferico utilizado para as
comunicações em altas freqüências à longa
distância. A altitude da F2 varia conforme a
hora do dia, época do ano, condições de vento e
ciclo solares. A propagação e reflexão
obedecem a estas variáveis. Seu aparecimento
ocorre ao nascer do Sol, quando a camada F se
desmembra em F1 e F2. A refração nesta
camada pode gerar o aparecimento do fenômeno
raro da dutificação da radiofreqüência,
ocasionando contatos à dezenas de milhares de
quilômetros e ecos ionosféricos.Também a
reflexão da radiofreqüência nesta camada
propicia a comunicação a milhares de
quilômetros.A camada F3 é uma região
ionosférica que se localiza acima da camada F2
em latitudes equatoriais numa altitude
presumida entre 500 km e 700 km e se forma
após o amanhecer. A maior densidade eletrônica
de F3 se dá a aproximadamente 170° de latitude
tendo um pico ao norte e outro ao sul do
equador magnético.
© py5aal Segundo "José Humberto Andrade
Sobral no artigo Sobre a Importância
Estratégica da Ciência Espacial para o Brasil,
PARCERIAS ESTRATÉGICAS - número 7 Outubro/1999 "
(sic) ...o cinturão de radiação de Van Allen é
uma região do campo magnético terrestre que
apresenta fortes correntes elétricas, podendo
abrigar prótons de alta energia que podem por
em risco a vida de astronautas. Esse perigo é
maior na região brasileira do que em qualquer
outra região do globo terrestre, devido à
excentricidade do eixo do dipolo geomagnético
que faz com que tal cinturão seja mais próximo
da superfície terrestre na região brasileira, que
em qualquer outra parte do planeta. Prótons de 1
MeV de energia podem transpassar uma couraça
de ferro de 25 cm de espessura e, dessa forma,
podem colocar em risco a vida de um
astronauta.
© py5aal A ionosfera e a termosfera equatorial
constituem um sistema acoplado que possui
características distintas quando comparadas a
outras latitudes terrestre. Entre estas podem ser
citados o eletrojato equatorial, cuja importância
reside no fato de haver correntes eletrônicas
fortíssimas numa altitude de 110 Km, ao longo
do equador magnético terrestre. Existe também
a Anomalia de Ionização Equatorial, também
conhecida como Anomalia de Appleton, no
plasma ionosférico. Formada por duas regiões
de alta densidade de plasma sobre os trópicos
que circulam paralelas ao equador magnético.
Ainda sobre o Brasil, existe uma anomalia
nominada Anomalia Geomagnética Brasileira
(Também denominada Anomalia Geomagnética
do Atlântico Sul), esta, de todas as anomalias
está totalmente sobre o Brasil, se estendendo
sobre boa parte da América do Sul, estando
espalhada sobre o Atlântico Sul, atingindo parte
da África do Sul.
© py5aal Na região onde ocorre, o campo
magnético terrestre, também chamado campo
geomagnético, é mais fraco que em qualquer
outra parte do planeta. Isso ocorre, devida
excentricidade do eixo do dipolo magnético
terrestre. A conseqüência imediata são as fortes
precipitações de prótons e elétrons provindos
dos cinturões de radiação de Van Allen. Pode
causar defeitos em satélites, indução de
correntes no solo, black-out's de distribuição de
energia elétrica em todo território brasileiro e
zona de influência. A Anomalia, pode influir
nas regiões ionosféricas aumentando ou
diminuindo a densidade do plasma de alta
altitude.
© py5aal Dependendo das condições solares,
pode ser responsável pelo mascaramento dos
sinais
de
radar,
interferências
nas
telecomunicações, além de danos em sistemas e
equipamentos
eletro-eletrônicos.
Outros
fenômenos bastante interessantes são as bolhas
ionosféricas que ocorrem na alta atmosfera e
também são objeto de estudo. Estas são
praticamente desconhecidas dos estudiosos de
áreas diferentes da Aeronomia, Astronáutica e
Espaço.
© py5aal Consistem de grande rarefação do
plasma ionosférico. Ocorrem nos meses de
outubro até março durante a noite, acompanham
as linhas de campo geomagnético. Têm
extensão de milhares de quilômetros, cobrindo
praticamente todo o Brasil no sentido Norte-Sul,
causam interferências sobretudo nos sistemas
DGPS (Differential Global Positioning System).
Foram descobertas entre 1976 e 1977 por
cientistas brasileiros do INPE.
3. Referências
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York. ISBN 0-671-07580-2.p.12 AEROS
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Century". International Conference on 100
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Corum, J. F., and Corum, K. L., "A Physical
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Davies, K., 1990. Peter Peregrinus Ltd, London.
ISBN 0-86341-186-X Ionospheric Radio.
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Hargreaves, J. K., "The Upper Atmosphere and
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Kelley, M. C, and Heelis, R. A., "The Earth's
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Leo F. McNamara. (1994) ISBN 0-89464-804-7
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5. Links
Gehred, Paul, and Norm Cohen, SWPC's Radio
User's Page.
17h37min de 17 de junho de 2009
Angeloleithold
6. Direitos autorais
Amsat-Italia project on Ionospheric propagation
(ESA SWENET website)
© 1995 Angelo Antonio Leithold (© PY5AAL)
was KN4LF NZ4O Solar Space Weather &
Geomagnetic Data Archive
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was KN4LF now NZ4O 160 Meter Radio
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Explanations Of "Seemingly" Mysterious 160
Meter (MF/HF) Propagation Occurrences
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Encyclopaedia Britannica, Ionosphere and
magnetosphere
Current Space Weather Conditions
Current Solar X-Ray Flux
Super Dual Auroral Radar Network
European Inchorent Scatter radar system
Millstone Hill incoherent scatter radar
4. Histórico
© 1995 - Ângelo Antônio Leithold .
© py5aal O presente artigo publiquei em 1997
originalmente no site:
http://www.angeloleithold.hpg.com.br/ciencia_e
_educacao/6/index_pri_1.html, na página:
http://www.angeloleithold.hpg.com.br/ciencia_e
_educacao/6/index_int_3.html.
© py5aal Iniciei a transcrição do presente artigo
para a WIKIPÉDIA (Portanto o liberei de
direitos COMERCIAIS, MAS NÃO DE
DIREITOS AUTORAIS) na data abaixo:
16h59min de 19 de setembro de 2004
Angeloleithold
© py5aal Terminei parte da transcrição e fiz
correções na WIKIPÉDIA em:
16h42min de 24 de dezembro de 2004
Angeloleithold
© py5aal Dei continuidade na transcrição em:
01h38min de 14 de junho de 2005
Angeloleithold
© py5aal Fiz pequenas alterações e correções
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