03.NOTAS DE AULA IONOSFERA

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TRANSMISSOR 1,3 MW > INSTITUTO DE FÍSICA ASTRONOMIA E CIÊNCIAS DO ESPAÇO

INÍCIO DE ATIVIDADE SOLAR NO CICLO 24 E SUAS IMPLICAÇÕES NA DINÂMICA ATMOSFÉRICA

O presente endereço é sobre a pesquisa: ESTUDO DA PROPAGAÇÃO DE RÁDIO E DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NA REGIÃO DA ANOMALIA MAGNÉTICA DO ATLÂNTICO SUL - RADIOCIÊNCIA - CAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHO - Instituto de Aeronáutica e Espaço www.iae.cta.br - Convênio - 2002-2012- Plano Trabalho Progr Cientifico CRS UNIBEM.pdf - 121 KB Download CTA PLANO DE TRABALHO nov 2006.pdf - e113 KB Download - INSTITUTO DE FÍSICA ASTRONOMIA E CIÊNCIAS DO ESPAÇO - IFAE Publicado oficialmente nos seguintes endereços: 1 Biblioteca Central das FACULDADES INTEGRADAS ESPÍRITA; 2-Domínio Público MINISTÉRIO DE EDUCAÇÃO E CULTURA - MEC -  http://www.dominiopublico.gov.br/ (c) 1987 - 2016 - Professor Ângelo Antônio Leithold -  LEITHOLD, A. A.   ANOMALIA MAGNÉTICA DO ATLÂNTICO SUL

IONOSFERA PÁGINA PRINCIPAL    REFLEXÃO IONOSFÉRICA   REGIÃO F3

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  Os íons, átomos, moléculas, elétrons, 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. 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. 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.

IONOSFERA Fonte:Wikipedia

© 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. 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. 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. 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.

 © py5aal 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.

IONOGRAMAS

PY5AAL ANGELO ANTONIO LEITHOLD  PROFESSOR (C) 

IONOGRAMA (Fonte: Autor)

© py5aal Vista do espaço, a esfera terrestre tem uma atmosfera de coloração azul brilhante devido efeito cromático produzido pela dispersão da luz solar sobre os gases atmosféricos. Estes envolvem-na em fina camada composta basicamente por gases e poeira, retidos pela ação da força da gravidade. A Ionosfera é uma região ionizada acima da chamada baixa atmosfera, situa-se a partir de 50 Km de altitude até uma distância indeterminada, arbitrada em torno de 550 Km (Dependendo do autor). Nesta existe grande quantidade de íons gerados pelas influências da radiação solar, de partículas cósmicas e solares de alta energia incidentes sobre o Sistema Solar.

Divisão iônica  

© py5aal A Ionosfera está sujeita a variações geográficas, temporais e à dinâmica terrestre e celeste. Exerce um efeito sobre as características de propagação das ondas eletromagnéticas abaixo de si e no próprio meio, está sujeita também às variações ocasionadas pelas anomalias geomagnéticas à exemplo das anomalias Equatorial e do Atlântico Sul.  composição iônica, é determinada pelas influências das radiações e partículas solares e cósmicas energéticas incidentes. Levando-se em conta a distribuição e densidade iônica, a atmosfera é dividida por camadas (Ou regiões). Se distribui desde a mesosfera até termosfera, aproximadamente 550 km de altitude, suas separações são determinadas segundo a natureza físico química e densidade iônica:

Camada D: A mais próxima ao solo, fica entre os 50 e 80 km;

Camada E, acima da camada D, embaixo das camadas F1 e F2, altitude média é entre  80 e 100-140km. Semelhante à camada D, na camada E ocorre o evento da formação da camada E Esporádica, que fica mais ativa quanto mais perpendiculares são os raios solares que incidem sobre si;

Camada F1, está acima da camada E, embaixo da camada F2 ~100-140 até ~200 Km. Existe durante os horários diurnos, à noite com a ocorrência da "recombinação" parte dela desaparece, e parte "sobe", fundindo-se com a camada F2;

Camada F2, a mais alta das camadas, dependendo a região e da época, se desmembra e "sobe" se convertendo em camada F3, logo abaixo se inicia novo processo de ionização que refaz a camada F2, está entre os 200 e 550 km.

Natureza da ionosfera.

A ionosfera refrata, reflete e espalha os mais diversos comprimentos de ondas. Desta forma, permite a transmissão de radiofreqüência ao longo de trajetos que não seriam possíveis de forma direta. Ao mesmo tempo em que ocorrem os efeitos de propagação em determinados comprimentos de onda, também podem ocorrer efeitos de blindagem nas mais diversas freqüências.

Ciclos Solares © py5aal 

Fonte: NASA

Acima: Ciclos 21, 22 e 23

© py5aal O comportamento da ionosfera é inconstante e imprevisível em curtos espaços de tempo, porém, obedece a ciclos que podem ser mapeados e dimensionados com razoável margem de erro.

Embaixo: Gráfico que mostra a evolução solar nos últimos 400 anos

Fonte: NASA

            Quando o Sol se torna mais ativo, aparecem as manchas solares, ao mesmo tempo, inicia um período de ejeção de massa coronal, esta emite grande quantidade de matéria constituída de hidrogênio ionizado e hélio, que por sua vez atingem a Terra e alteram as condições iônicas da alta atmosfera. Com as fortes variações da taxa de ionização ocorre uma forte influência na propagação de RF em todo o planeta. A capacidade da ionosfera em refratar, refletir e espalhar os sinais de radiofreqüência, é dependente da ressonância momentânea da camada observada e do ângulo de elevação do sinal transmitido. É sabido que o plasma ionosférico tem o que se chama de frequência de plasma, esta absorve os comprimentos de ondas propagados em si. Também, devida variação de densidade iônica, comprimentos de ondas não absorvidos têm sua refração reduzida nas freqüências mais altas e para ângulos de elevação mais altos, porém, é determinante que a freqüência seja suficientemente alta. Desta forma, dependendo da camada, o sinal irradiado pode ser refratado, absorvido e refletido, também pode não retornar ao solo (Dutificação), e ao mesmo tempo, ser refletido. A emissão de RF pode escapar da Terra quando atravessa a ionosfera em latitudes onde a densidade de elétrons é baixa (Se dá o nome de calha de Muldrew).  Os campos magnéticos do Sol e da Terra não são constantes: distendem-se, contraem-se, evoluem ao longo do tempo. De tempos em tempos, ocorrem as perturbações solares chamadas de ''chamas'' ou ''clarões'', quando a atividade solar é intensa, ou quando existe um grande número de manchas que seguem ao ciclo de onze anos, chamado de Ciclo Solar. Na figura abaixo estão registrados dois ciclos de atividade solar, o 22 e o 23.

Embaixo: Ciclos Solares 22 e 23.

Fonte: NASA

© py5aal Ao ocorrer clarões solares, acontece também o trânsito de partículas mais lentas que entre vinte a quarenta horas que atingem a Terra. Estas encontram em seu caminho a magnetosfera terrestre, grande parte das partículas sofre uma grande deflexão, sento "atiradas" para fora da região onde orbita a Terra. Outra parte é capturada pelas linhas de campo da magnetosfera da terra mais externas, e forma assim o cinturão externo de Van Allen. Mesmo assim, grande quantidade de partículas não é capturada pelas linhas de campo externas, e acaba atingindo as linhas de campo mais próximas da superfície terrestre. Desta quantidade de partículas, uma razoável quantia é capturada pelas linhas de campo internas, ficando estas partículas presas paralelamente à superfície do planeta, assim se forma o "Cinturão interno de Van Allen". Contudo, ainda restam partículas que acabam não sendo aprisionadas, e outras que transitam entre os hemisférios norte-sul e vice-versa (Aprisionadas e em movimento oscilatório entre hemisférios) acabam se aproximando na região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul e mergulhando em direção à ionosfera. Ao chegar na Ionosfera, as partículas produzem tempestades que resultam principalmente dos movimentos de ionização. Durante a movimentação iônica, ocorre o rearranjo das cargas e a recombinção iônica. Pois as taxas de produção de íons e de elétrons livres são dependentes da densidade do fluxo de radiação provinda do Sol. A densidade de fluxo incidente ou de partículas, e a eficiência da ionização, são funções do comprimento de onda de ionização (Ou da energia das partículas incidentes) e da composição físico-química da alta atmosfera. Desta forma, ocorre uma produção de elétrons por ionização do nitrogênio molecular e do oxigênio molecular em duas alitudes. A primeira, em torno dos 170 Km, é produzida pela radiação no comprimento de onda em torno dos 20 até os 80 nm. Mais embaixo, em torno dos 100 Km de altitude, ocorre a segunda recombinação, onde os raios-X incidentes de comprimentos de ondas inferiores a 10 nm atingem a região. Nesta altitude, também ocorre a recombinação ocasionada pela incidência da radiação ultravioleta em comprimentos de ondas próximos à 100 nm. Havendo a produção iônica, os elétrons livres tendem a se recombinar com os íons positivos livres, também tendem a se unir à moléculas neutras formando assim íons negativos. Devido ao efeito da recombinação, é gerada energia eletromagnética que se irradia em todos os comprimentos de onda ocasionada formação e trânsito dos íons. Os aumentos de raios-X chamados ''moles'' e intensas emanações de radiação ultravioleta, formam "janelas" que facilitam a penetrância de energia eletromagnética em frequências que normalmente seriam absorvidas pelo meio.

© py5aal As massas ionizadas tomam a forma de depressões na densidade máxima de elétrons na região F2. Existem indícios que dependendo das condições geomagnéticas, as tempestades podem ser intensificadas ou atenuadas devida energia gerada ou absorvida pela recombinação. Os clarões solares são em grande parte acompanhados por imensas erupções de prótons e elétrons energéticos, estes se propagam pelo espaço como uma imensa nuvem de plasma acelerado que, dependendo da sua posição no disco solar e da trajetória da Terra, atingem-na. Uma vez que o Sol tem uma rotação média com um período aproximado de 28 dias, afasta ou aproxima uma coluna de partículas no espaço quando ele é perturbado (Saia de Bailarina). desta forma, há uma tendência das tempestades ionosféricas voltarem após o intervalo de tempo do giro do Sol. As tempestades também podem durar vários dias e causar diferentes efeitos de absorção, aumento ou diminuição em regiões diferentes e latitudes variáveis. Estes efeitos são difíceis de prever mas fáceis de detectar, tal a magnitude que atingem. Quando ocorre este fenômeno, há supressão de sinais de radiofrequência nas regiões polares por absorção e a comunicação  em alta frequência (HF) é cortada completamente, a isto se dá o nome de "propagação fechada". A coluna de plasma, ao atingir o planeta, lança prótons energéticos que se retardam em relação aos elétrons, pois são mais pesados, seu trânsito pode durar de alguns minutos até diversas horas. Ao atingir a ionosfera, as ondas de plasma que não ficaram presas nas linhas de campo, nem que foram defletidas pela magnetosfera, acabam atravessando as camadas superiores F2, F1 e E e atingem a camada D, ionizando-a, principalmente nas regiões polares. Devido aumento da radiação solar, a ionosfera terrestre também começa a sofrer fortes perturbações chamadas Distúrbios Ionosféricos Solares também chamados Distúrbios Ionosféricos Repentinos. Estes são de curta duração mas geram grandes aumentos de absorção ionosférica em todo hemisfério iluminado pelo Sol. Em geral, sua duração se dá de poucos minutos até horas, gerando assim, segundo Dellinger, o fenômeno do desvanecimento progressivo nos comprimentos das Ondas Curtas (HF). Os campos magnéticos do Sol e da Terra não são constantes, sobre a região Sul do Brasil ocorre uma anomalia do campo magnético da Terra. A esta foi dado o nome de Anomalia Geomagnética do Atlântico Sul, (South Atlantic Geomagnetic Anomaly, SAGA), também chamada de Anomalia Magnética do Atlântico Sul. Seus efeitos atingem os Cinturões de Radiação de Van Allen, fazendo-os se aproximar mais do solo nessa região. O fenômeno da ocorência do cinturão de radiação não é exclusivo somente à Terra. Foi detectado em outros planetas do sistema solar como Júpiter, Saturno, Marte e Vênus. E também reproduzível artificialmente através de explosões nucleares ou em laboratório conforme demonstrado nas figuras embaixo.

Fonte: NASA

Fonte: NASA

Figuras acima: Esquerda: Simulação Cinturões de Van Allen em laboratório. Direita: Explosão nuclear a 400 km de altitude, operação Starfish Prime. 

© py5aal A explosão danificou 1/3 de todos os satélites próximos aos Cinturões de Radiação de Van Allen, além de causar uma compressão dos cinturões em direção à Terra. Outro efeito da explosão nuclear no espaço foi o fechamento da propagação de radiofreqüência em todos os comprimentos de onda, causando um black-out total em todo o planeta, inclusive em radares, devido pulso eletromagnético gerado dentro da magnetosfera, além do aumento repentino das taxas de ionização e alterações do plasma ionosférico que duraram por meses. alguns consideram que as experiências de artefatos na época foi válida, outros, nem tanto. 

 A Ionosfera, Magnetosfera e a Troposfera

© py5aal Acredita-se existir um interelacionamento entre os fenômenos físicos no meio-ambiente terrestre. O estudo da ionosfera e da magnetosfera, devida sua complexidade, deve ser incrementado. A análise da formação da ionosfera é dependente das influências ionizantes da radiação solar e das partículas cósmicas na estrutura da atmosfera terrestre.  O campo geomagnético, e a magnetosfera solar estão intimamente ligados, aquele atua diretamente nesta. A produção iônica na alta atmosfera, é dependente da densidade do fluxo de radiação incidente, das partículas aceleradas, das partículas do meio ionosférico, e da eficiência de ionização do meio no momento em que é receptor da energia provinda do Sol, do Cosmos e da influência dos campos magnéticos que interagem entre si. A eficiência de ionização é função do comprimento de onda de ionização (Ou energias das partículas), que é dependente da composição química da atmosfera e da estrutura física que a forma, além das forças e campos que se interagem. Existem duas alturas onde a produção de elétrons pela ionização de nitrogênio molecular e atômico e oxigênio molecular atinge a máximos, a 100 Km de altitude,  é devida aos raios X incidentes cujos comprimentos de onda são menores de 10 nm e à radiação ultravioleta com comprimentos de onda próximos à 100 nm, e a 170 Km, é produzida pela radiação em comprimentos de onda de 20 a 80 nm,

Morfologia e formação da Ionosfera

© py5aal A partir da produção iônica, os elétrons livres tendem a recombinar-se com os íons positivos e a unir-se a moléculas neutras para formar assim íons negativos. Os elétrons também podem sair de um determinado volume por difusão ou se deslocar para longe sob as influências dos gradientes de temperatura e de pressão, das forças gravitacionais ou dos campos elétricos e magnéticos estabelecidos por ionizações próximas e seus movimentos. A densidade eletrônica em determinada altitude é dada pela equação de continuidade em termos do balanço entre os efeitos de produção e perda. As densidades  dos elétrons à noite em geral são mais baixas do que durante o dia porque as taxas de produção são reduzidas. Podemos observar facilmente a distribuição de densidades de elétrons em alturas diferentes durante o dia e a noite quando notamos as diferenças que ocorrem, em distância e qualidade de recepção das ondas de rádio. A ionização é contínua ao longo de uma ampla faixa de altitudes, porém, existem algumas regiões de altura que possuem certas particularidades. Estas são facilmente mapeadas. Na figura abaixo observa-se a distribuição iônica, notar que não há descontinuidade, mas variação de densidade iônica. 

© py5aal Appleton as denominou camadas D, E, F1 e F2. De todas camadas iônicas, a camada E é a região ionosférica mais regular, esta apresenta uma dependência sistemática de máxima densidade eletrônica com o ângulo do zênite solar, cujas variações são até certo modo previsíveis, pois são diurnas, sazonais e geográficas. Existe também uma dependência previsível quanto à densidade eletrônica em relação às mudanças da radiação solar que acompanham as flutuações irradiantes do astro em longo prazo, isto é, são dependentes do estado solar momentâneo, e este é cíclico. A máxima densidade eletrônica (Elétrons livres) na camada E seguem em proporcionalidade o número de manchas solares, cuja variação temporal segue o ciclo solar. Na camada F, temos variações temporais de sua divisão em F1 e F2. Esta divisão ocorre durante o dia, sendo a F1 a mais baixa, e a F2 a mais alta. O mecanismo que gera a divisão surge devido processo de trocas íons-átomos, seguido pela recombinação dissociativa, a primeira parte, ou o primeiro processo controla as taxas de perdas da camada F2, e o último na camada F1. Embora a produção máxima de íons seja sempre na camada F1,  esta resulta na máxima densidade elétron-iônica na camada F2, onde as taxas de perdas iônicas são mais baixas. A máxima densidade elétron-iônica na camada F1 segue rigorosamente a taxa de ionização da camada E, porém existem modificações significativas e menos previsíveis na altitude da camada. É sabido que a altura e a máxima densidade iônica e eletrônica na camada F2 estão sujeitas à grandes variações dependentes das condições solares e que têm importantes conseqüências para a propagação das ondas de radiofreqüência. Algumas das alterações na camada F2 são sistemáticas, mas também ocorrem variações importantes resultantes das condições elétricas da atmosfera inferior. Existem indícios de que a região F2 sofre uma grande influência devido transporte iônico a diferentes alturas ao longo das linhas de força do campo geomagnético influenciado também pela magnetosfera solar, neste caso, pode-se deduzir que as anomalias geomagnéticas podem influir na propagação de radiofreqüência, pelo menos em F2. Sabe-se também que estas condições variam à medida em que sofrem a interação com os ventos termosféricos em latitudes altas e médias, além, também, de receber influência dos campos elétricos em baixas latitudes. As irregularidades na região F, são responsáveis pelo retroespalhamento da emissão de RF em determinadas freqüências que dependem do estado iônico (Densidade iônica e eletrônica)  da Ionosfera. Os efeitos sobre a camada F2, tomados em conjunto com as conhecidas variações na composição atmosférica, podem explicar largamente as suas características que foram consideradas anômalas em comparação à camada E. As variações diurnas no máximo de densidade elétron-iônica nas regiões polares nas estações do ano onde ocorre a completa escuridão, demonstram máximas densidades eletrônicas em alguns locais de latitude média às vezes deslocados de algumas horas do dia local com maior densidade de elétrons no inverno do que no verão, e nas baixas latitudes, variações de longitude enlaçadas mais para o equador magnético do que para o equador geográfico apontam para as influências geomagnéticas sobre a ionização, o que se deve aprofundar neste estudo. Portanto, é provável que exista a interação de densidade eletrônica no equador magnético, e máximos ao norte e ao sul, onde a inclinação magnética é de cerca de 30°.

© py5aal Em todas as latitudes, as densidades eletrônicas  na camada F2, assim como nas camadas E e F1, aumentam com o aumento do número das manchas solares. As densidades dos elétrons em alturas acima do máximo da camada F2 são controladas principalmente pelos processos de difusão. A camada D demonstra grande variabilidade e sua estrutura é fina. É a camada menos estudada da ionosfera. As únicas radiações ionizantes que penetram nas camadas superiores e contribuem para a formação da camada D são os raios X cujos comprimentos de onda menores chegam a 2 nm e a radiação a-Lyman em 121,6 nm. As prováveis reações químicas  responsáveis por sua formação envolvem principalmente o óxido nítrico e outros constituintes da atmosfera, pouco se conhece ainda qual a influência do campo geomagnético na região. Porém sabe-se que a D é a principal responsável pela absorção da RF devidas colisões de elétrons na altitude onde esta ocorre. As densidades eletrônicas na parte superior da camada D são aparentemente encadeadas com as da camada E, pois existem variações sistemáticas latitudinais, temporais e de ciclos solares em absorção. São constatadas variações de absorção irregulares de forma aparentemente aleatória (Acredita-se que aí podem haver influências do geomagnetismo). Nas latitudes médias são notadas altas absorções anomalamente em certos dias durante o inverno. Provavelmente estas anomalias estão relacionadas ao aquecimento da estratosfera e provavelmente está associada às modificações na composição da camada D. Nota-se na parte inferior da camada D, abaixo dos 70 Km, que a ionização é produzida principalmente pelos raios cósmicos energéticos que ocorrem durante todo o dia . Os elétrons livres gerados pelos raios cósmicos tendem a se colidir e se unir a moléculas para formar íons negativos à noite, sendo desprendidos pela radiação solar durante o dia. A ionização na camada D inferior assim como a da sua parte superior, é muito maior durante o dia do que à noite. No entanto, as densidades eletrônicas na camada D inferior, estando relacionadas à incidência de raios cósmicos, são reduzidas com o aumento no número de manchas solares. Existe uma ionização adicional da camada D, presume-se, que é produzida nas altas latitudes pelas partículas que chegam , dirigidas ao longo das linhas de força do campo geomagnético. Os elétrons energéticos, com grande probabilidade de serem provindos do Sol, produzem os eventos de absorção auroral característica sobre uma faixa estreita em latitudes de cerca de 10°, estes associados às regiões aurorais visuais.  O gráfico embaixo ilustra a divisão atmosférica sob o ponto de vista molecular, físico-químico e iônico.

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Fonte: NASA

Na figura embaixo está representado um esquema das camadas atmosféricas e suas altitudes.

Fonte: NASA 

© py5aal Uma vez que a ionosfera se localiza entre sessenta e quatrocentos quilômetros de altitude (Arbitrado para fins de estudo, varia de autor para autor), e é composta de íons, plasma ionosférico, devida sua natureza físico-química, reflete ondas de rádio até aproximadamente 30 MHz. Nas zonas mais baixas da atmosfera, os elétrons livres e íons desaparecem. Isto ocorre devida 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 provinda do espaço é muito grande até determinada altitude, contudo, não existem gases, átomos, ou moléculas livres suficientemente para serem ionizadas. Assim, no plasma ionosférico encontramos condutividade iônica e permissividade eletromagnética , isto é, em alguns momentos a ionosfera 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 (Frequência do plasma) inutilizando totalmente a propagação destas. Só haverá ionização à medida em que mergulhamos na atmosfera, até uma certa profundidade limítrofe.

Campo magnético da Terra

© py5aal O campo magnético terrestre assemelha-se a um dipólo magnético com seus pólos próximos aos pólos geográficos da Terra. Uma linha imaginária traçada entre os pólos sul e norte magnéticos apresenta uma inclinação de aproximadamente 11,3º relativa ao eixo de rotação da Terra. A teoria do dínamo é a mais aceita para explicar a origem do campo, que estende-se por dezenas de milhares de quilômetros no espaço, formando a chamada magnetosfera. O Cinturão de Van Allen é uma região onde ocorrem vários fenômenos atmosféricos devido a concentrações de partículas no campo magnético terrestre, descobertas em 1958 por James Van Allen. As radiações de Van Allen se situam sobre a região equatorial e tropical, são resultantes dos dois cinturões em forma de anéis, com centro no equador. O mais interno se estende entre as altitudes de mil e cinco mil quilômetros (Salvo na região da AMAS), sua intensidade máxima ocorre em média aos três mil quilômetros, consiste majoritariamente de prótons altamente energéticos, que se originam pelo decaimento de nêutrons produzidos quando raios cósmicos vindos do espaço exterior colidem com átomos e moléculas da atmosfera terrestre, parte dos nêutrons é ejetada para fora da atmosfera e se desintegra em prótons e elétrons ao atravessar esta região do cinturão. Essas partículas se movem em trajetórias espirais ao longo de linhas de força do campo magnético terrestre.

Fonte: Nasa 

© py5aal A ocorrência de uma anomalia magnética pode gerar perturbações em sistemas elétricos de grande comprimento físico que se encontram na superfície da Terra. Já foi comprovado que ao ser detetado o fenômeno geomagnético e sua localização, haverá perturbações elétricas em regiões contíguas à localidade da ocorrência primária. E quanto mais próximo do epicentro, maiores os efeitos ocasionados pelas anomalias. (Pinto, L.M, et al, 2004). As partículas que são ejetadas do Sol para o espaço, podem mover-se na direção da Terra a uma velocidade de 450km/s, levando de poucas horas até alguns dias para chegar ao nosso planeta. Ao atingir a ionosfera, dependendo do grau de ionização, as partículas causam as chamadas tempestades solares. As cargas das partículas ionizadas em movimento, formam correntes elétricas de alta altitude que se fazem acompanhar de severas alterações de campo magnético terrestre na região. As correntes iônicas de alta altitude induzem correntes-imagem na terra de baixa freqüência. Devidas características de propagação do fenômeno e sua magnitude, os efeitos podem varrer a região que está sujeita às Correntes Induzidas Geomagneticamente, (Geomagnetical Induced Currents, GICs). O fenômeno das correntes geomagneticamente induzidas (GICs) é conhecido nos Estados Unidos e Canadá. Sabe-se que as correntes quase contínuas induzidas com freqüências bem inferiores a 1 Hz, afetam sistemas de comunicação, operações de satélites e sistemas elétricos de potência.  No caso de linhas de transmissão de energia, as de  grande potência, longas e paralelas, situadas sobre rochas ígneas (originárias do manto da Terra, ricas em materiais magnéticos), podem sofrer as influências de indução com a geração de harmônicos que poderão causar disparos aleatórios nos sistemas de segurança e proteção, deflagrando assim um desligamento do sistema. As GICs se aproximam de um pulso de corrente contínua que se propaga pelas linhas de transmissão e inclusive através do solo. Pode ser induzida em qualquer sistema metálico de grandes comprimentos, desde linhas telefônicas até linhas de trem. A espessura do isolamento (Blindagem) proporcionado pelos cinturões de Van Allen é significativamente menor na região da AMAS, tornando mais fácil a penetração das partículas carregadas (Radiação ionizante e não ionizante) provindas do Espaço exterior.

Fonte: O Autor. 

© py5aal Numa análise de defeitos em linhas de transmissão de energia elétrica de alta potência no Brasil, foi detectado que 96% dos casos avaliados estavam diretamente ligados às ocorrências ligadas à Anomalia Geomagnética do Atlântico Sul. (Pinto, L.M., et al, 2004)

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