Ecolocalização

          Ecolocalização ou Biosonar é um sentido ou uma sofisticada capacidade biológica de detectar a posição e/ou distância de objetos (obstáculos no ambiente) ou animais através de emissão de ondas ultra-sônicas, no ar ou na água, e análise ou cronometragem do tempo gasto para essas ondas ser emitidas, refletir no alvo e voltar à fonte sobre a forma de eco (ondas refletidas). Para diversos mamíferos, morcegos, golfinhos e baleias, essa capacidade é de importância crucial em condições onde a visão é insuficiente, durante a noite, no caso dos morcegos, ou em águas escuras ou turvas, para os golfinhos, seja para locomoção ou para captura de presas. Alguns pássaros também utilizam a ecolocalização para voar em cavernas. Baseado nessa capacidade natural os seres humanos desenvolveram a “ecolocalização artificial” com o advento do radar, sonar e aparelhos de ultra-sonografia.

         A capacidade da ecolocalização foi postulada pelo biólogo italiano Lazzaro Spallanzani (1729-1799), contudo somente foi descrita primeiramente nos anos de 1930. O termo é atribuído ao zoólogo Donald Griffine e ao pesquisador Jonas Ansel, que foi o primeiro a demonstrar conclusivamente a existência nos morcegos.

         Os morcegos, animais mamíferos adaptados ao vôo, possuem a habilidade sonar compartilhada com aves e insetos. Durante o dia, ficam em cavernas, forros de casas abandonadas ou árvores. Tem hábitos noturnos, consomem principalmente insetos, frutos e também néctar de algumas flores. Os que se alimentam de sangue são chamados hematófagos. Emitem pulsos de ondas ultra-sônicas, isso é, com freqüência muito alta, na faixa de 20 a 215 kHz, pelas narinas ou pela boca, dependendo da espécie. As ondas atingem obstáculos no ambiente e voltam na forma de ecos com freqüência menor. Os sinais de retorno são captados pelo sistema auditivo, e, com base no tempo em que os ecos demoraram a voltar, das direções de onde vieram. Através da ecolocalização percebem se há obstáculos no caminho, as distâncias, as formas e as velocidades relativas entre eles, no caso de insetos voadores que servem de alimento, por exemplo. Dividem a capacidade sonar com os golfinhos e as baleias e alguns pássaros. O modo de utilizá-la varia para cada espécie, alguns emitem sons puros que duram até 150 milissegundos, enquanto outros usam uma série de “chilreios” curtos. A eficiência da ecolocalização também varia entre as espécies, sendo que os de hábito alimentar insetívoro, ou predadores de insetos em geral, possuem o sistema mais desenvolvido. Mesmo na escuridão total capturam sua presa em pleno vôo.

          O golfinho possui um extraordinário sistema acústico de ecolocalização que lhe permite obter informações sobre outros animais e o ambiente, pois consegue produzir sons de alta freqüência ou ultra-sônicos, na faixa de 150 kHz, sob a forma de “clicks” ou estalidos sonoros. Esses sons são gerados pelo ar inspirado e expirado através de um órgão existente no alto da cabeça, os sacos nasais ou aéreos. Os sons provavelmente são controlados, amplificados e enviados à frente através de uma ampola cheia de óleo situada na nuca ou testa, o Espermatócito, que dirige as ondas sonoras em feixe à frente, para o ambiente aquático. Esse ambiente favorece muito esse sentido, pois o som se propaga na água cinco vezes mais rápido do que no ar. A freqüência desses estalidos é mais alta que a dos sons usados para comunicações e é diferente para cada espécie.

         Quando o som atinge um objeto ou presa, parte é refletida na forma de eco e é captado por um grande órgão adiposo ou tecido especial no seu maxilar inferior ou mandíbula, sendo os sons transmitidos ao ouvido interno ou médio e daí para o cérebro. Grande parte do cérebro está envolvida no processamento e na interpretação dessas informações acústicas geradas pela ecolocalização.

         Assim que o eco é recebido, o golfinho gera outro estalido. Quanto mais perto está do objeto que examina, mais rápido é o eco e com mais freqüência os estalidos são emitidos. O lapso temporal entre os estalidos permite ao golfinho identificar a distância que o separa do objeto ou presa em movimento. Pela continuidade deste processo, o golfinho consegue seguí-los, sendo capaz de o fazer num ambiente com ruídos, de assobiar e ecoar ao mesmo tempo e pode ecoar diferentes objetos simultaneamente. O sentido dos golfinhos, além de permitir saber a distancia do objeto e se o mesmo está em movimento ou não, permite saber a textura, a densidade e o tamanho do objeto ou presa.

         O pássaro do petróleo ou Guácharo sul-americano (Steatornis caripensis) e certo tipo de andorinhão do gênero Aerodramus (Formerly collocalia) ou swiftlets das cavernas, são as únicas aves conhecidas que também podem ecolocalizar e voar na escuridão absoluta. Porém o sistema desses pássaros não é tão sofisticado quanto o do morcego e golfinho, além de servir somente para orientação ao vôo.  

RADAR 

          O radar, do inglês Radio Detection And Ranging (Detecção e Telemetria pelo Rádio), é um dispositivo que permite detectar corpos que refletem radiofreqüência a longas distâncias. Basicamente emite pulsos eletromagnéticos que ao atingir o alvo buscado são refletidos.

         A sua operação se dá numa faixa do espectro eletromagnético em que é favorecida a alta transmissão de radiofreqüência na atmosfera sem interferências ocasionadas pela radiação solar. Os comprimentos de ondas utilizados para a operação do radar também permitem a propagação dos pulsos através da atmosfera mesmo estando nublada ou durante precipitações.

         A detecção das ondas refletidas, permite determinar a localização do objeto, o primeiro radar foi construído em 1904, por C. Hülsmeyer na Alemanha, naquela época não houve utilidade prática para tal dispositivo, de baixa precisão, construção difícil, e sistema de detecção de eco ineficiente. Em 1934, Pierre David, revisando teoria eletromagnética, encontrou o estudo realizado pelo alemão. Iniciou então, experiências para o desenvolvimento de um sistema de detecção por ondas de rádio em alta freqüência. Este era eficiente para a localização de aviões. Simultaneamente, Henri Gutton e Maurice Ponte, conseguiram criar um dispositivo de detecção que funcionou com grande precisão. Em 1935, foi instalado o primeiro sistema de radiotelemetria no navio Normandie cujo objetivo era localizar e prevenir a aproximação de obstáculos. 

          No início da Segunda Guerra Mundial, Watson Watt, melhorou e desenvolveu novas tecnologias, utilizando o sistema de telemetria fixa e rotatória. Em função da maximização e da exatidão do processamento de sinal e eco por radiofreqüência, foi aprovado um projeto de instalação piloto para detecção de aeronaves inimigas, na costa da Inglaterra. Em função do sucesso alcançado da estação, foram instaladas muitas outras em todo o País.

          Os radares foram muito importantes na previsão de ataque, pois os ingleses sabiam com precisão a distância, velocidade e a sua direção, tendo tempo assim, de alarmar a população a fim se proteger, diminuindo imensamente baixas civis, apesar do bombardeio constante. As Potências do Eixo, também estavam a desenvolver sistema similar, porém seu uso era diferente, os radares alemães, eram para aumentar a precisão de tiro, facilitando o direcionamento dos projéteis.

         O radar é composto por uma antena transmissora-receptora de sinais para Super Alta Freqüência (SHF), a transmissão é um pulso eletromagnético de alta potência, curto período e feixe muito estreito. Durante a propagação pelo espaço, o feixe se alarga em forma de cone, até atingir o monitorado, sendo então refletido, e, retornando para a antena, que neste momento é receptora de sinais. Desta forma, através da velocidade de propagação do pulso conhecida, e o tempo de chegada do eco também, pode-se facilmente calcular a distância do alvo e saber se está se afastando, ou se aproximando do radar. Este efeito é possível devido Efeito Doppler, pois a defasagem de freqüência entre o sinal emitido e recebido propicia o cálculo exato. O Equipamento é composto de uma antena transceptora, uma linha de transmissão, um transmissor de alta potência e alta freqüência,  sistema de recepção, decodificação, processamento e visualização das informações coletadas, além da mesa de interface entre equipamento e operador. 

          O nome próprio, "Radar" diz que é um sistema que usa ondas eletromagnéticas para identificar o tipo, a altitude, direção, velocidade de móveis ou fixos. Sejam aviões, navios, veículos terrestres, formações meteorológicas e terrenos. O transmissor que emite as ondas de rádio deve ter alta potência, embora já existam instrumentos de consumo bastante reduzido, por exemplo, radares embarcados em naves espaciais. Uma vez emitido, o sinal reflete no objeto e é detectado pelo receptor acoplado ao sistema.  Apesar do sinal refletido ser muito fraco, é facilmente amplificado. Assim, o sistema de detecção consegue identificar objetos onde outros métodos, (Som ou a luz), seriam demasiado fracos para detectar.  Os equipamentos de rastreamento de massas aéreas, ou radares meteorológicos distinguem  com facilidade as precipitações dos mais diversos tipos. Os controles de tráfego aéreo, os sistemas detectores de velocidade funcionam de forma similar. 

           Originalmente o termo utilizado era RDF (Radio Direction Finder Grã - Bretanha). Foi alterado  em 1941 para RADAR (Radio Detection And Ranging  - Detecção e Telemetria pelo Rádio).  Vários inventores, cientistas, engenheiros contribuíram para o seu desenvolvimento. O primeiro sistema que detectou "a presença de objetos metálicos distantes através de ondas rádio" foi Hülsmeyer, em 1904. Na experiência foi demonstrada a viabilidade de se detectar um navio em nevoeiro denso, contudo não informava a distância. Sua "Reichspatent" era de número 165546  registrada no mês de abril. No dia  11 de novembro de 1905 o registro foi alterado para 169.154> Na Inglaterra recebeu a patente GB13170 e o sistema "telemobiloscope"  no dia 22 de setembro de 1904. Nikola Tesla, em Agosto de 1917, pesquisou os princípios relativos à emissão de ondas eletromagnéticas verificando alguns fenômenos de reflexão. Em 1934, o norte-americano Dr. Robert M. Page, testou pela primeira vez um radar monopulso. Os alemães, os franceses (French Patent n º 788795, em 1934), e principalmente ingleses, exploraram os sistemas de emissão e detecção como métodos de defesa contra ataque de aeronaves, sendo que a Inglaterra desenvolveu os sistemas mais avançados na época (British Patent GB593017 - Robert Watson - Watt, em 1935). O húngaro Zoltán Bay construiu um sistema em 1936, no laboratório Tungsram. Em 1934, Émile Girardeau, desenvolveu sistemas de emissão e detecção de pulsos eletromagnéticos, que, segundo declarações da época foram "concebidos de acordo com os princípios enunciados por Tesla".

          A Segunda Guerra Mundial precipitou as pesquisas para encontrar uma melhor resolução, maior portabilidade e recursos para a nova tecnologia defesa. No Pós - guerra os radares já eram utilizados no controle de tráfego aéreo, meteorologia, radioastronomia e controle rodoviário velocidade. Na marinha, os radares são utilizados para a navegação, detectando e monitorando obstáculos que podem oferecer riscos até a distância de duzentos quilômetros aproximadamente. No caso de belonaves de guerra, existem sistemas para a detecção de alvos e direcionamento de tiro passivo para facilitar o acerto de mira de projéteis disparados por canhões, metralhadoras, para direcionamento de tiro ativo de mísseis e torpedos. Existem os radares de defesa antiaérea com alcance de até duzentos quilômetros para captar aeronaves orientando as defesas em sua direção. Nos Porta-aviões, existem radares semelhantes aos de aeroportos para orientar o tráfego aéreo, desembarque e embarque de aeronaves com segurança e em movimento. Neste caso o alcance atinge até 1.000 km em mar aberto. O uso de radares na aeronáutica se dá a nível de aeroportos, bases aéreas, aeronaves civis e militares, para monitoramento e orientação de tráfego aéreo. Os aeroportos mais modernos possuem radares para "vôo cego", isto é, para condições de visibilidade muito baixa, servindo à aterrissagem e decolagem com pouco teto sob neblina leve e baixo horizonte. A defesa aérea e vigilância utiliza radares mais específicos com detecção de alvos até 1.000 quilômetros para aviões em grande altitude, e alcance de até trinta quilômetros para aeronaves voando em baixa altitude. Os radares de direcionamento bélico são utilizados para orientar os mísseis balísticos no momento inicial de arremesso, para depois da decolagem, internamente estes possuem equipamentos de orientação autônomos (Alguns com GPS) para dirigi-los até seu alvo. A figura 1 mostra um diagrama em blocos típico de uma estação de radar, nesta observamos que a antena é transceptora, isto é, transmite e recebe os pulsos emitidos por si, este sistema é bastante utilizado pela aeronáutica.

Figura 1: Diagrama esquemático de uma estação de radar típica. (Fonte: Angeloleithold 2003)

          Nos radares de controle de tráfego e vigilância aérea de maior alcance, o monitoramento não se dá por uma única estação de vigilância e rastreamento, e sim por muitas interligadas e com os sinais processados de forma redundante pela somatória e processamento de todos os dados numa central. No Brasil, o (http://www.decea.gov.br/oqueeosisceab/sisceab.htm) SISCEAB (Sistema de Controle do Espaço Aéreo Brasileiro) possui um sistema que funciona desta forma, onde existem radares com alcance de até 4.000 km, que interligados cobrem os 8,5 milhões de km² do território nacional. As aeronaves de combate possuem radares de interceptação, radares de ataque com pulsos eletromagnéticos de alta definição que permitem o vôo em baixa altitude sem visão direta do solo, além de radares nos mísseis ar-ar e ar-terra, para busca de alvos por sistemas de detecção eletromagnética, pois os sensores de calor são obsoletos e fáceis de ser despistados. Na força terrestre, Exército,, existem radares de patrulha aérea, com alcance de até trezentos quilômetros, radares de aquisição de alcance até cem quilômetros, de tiro e perseguição de mísseis terra-ar, antiartilharia, para reconstituição das trajetórias dos projéteis, para localização das peças de artilharia com alcance de até dez quilômetros, e, radares de vigilância terrestre para detectar alvos móveis e regulagem de tiro de alta precisão. Os radares de pequeno alcance na guerra moderna, entre eles se destacam os Rasura com alcance de 5 quilômetros usados pela infantaria, o Rapace utilizado nos carros de combate blindados com alcance de até cinco quilômetros, além do Ratac utilizado pelas peças de artilharia para detectar alvos à trinta quilômetros. Os radares meteorológicos são de suma importância para o monitoramento da atmosfera, facilitando assim atividades como a agricultura, aeronáutica, entre outras atividades, pois detectam com precisão os movimentos das massas de ar, dando subsídios aos meteorologistas para prevenir, desde geadas, vendavais e chuvas de granizo, entre outros fenômenos que podem ser rastreados. Cientistas usam o radar para várias aplicações espaciais, os EUA, Reino Unido e Canadá, por exemplo, rastreiam objetos em órbitas ao redor da Terra. Isto ajuda os cientistas e engenheiros a vigiar satélites, partes de foguetes abandonados, etc. Durante viagens espaciais os radares também são utilizados para medir distâncias precisas, como nas missões da Apollo nos anos 60 e 70. A US Magellan, (sonda espacial), mapeou a superfície do planeta Vênus com um radar entre 1990 a 1994. Outra importante aplicação espacial é a utilização de uma rede de satélites que emitem sinais de ondas de rádio. O mais conhecido desse tipo de sistema é o GPS que fornece uma navegação de alta precisão para qualquer pessoa que possua um receptor. A figura 2 ilustra um tipo de radar cuja função é mapear as massas gasosas, muito útil para se observar furacões, por exemplo. Um dos maiores avanços deste sistema, além do uso para a anvegação, é justamente para a observação e previsão meteorológica.

 Figura 2: 1960 Atlantic hurricane season (Fonte NASA)

         A reflexão ou espalhamento de ondas eletromagnéticas, ocorre quando um objeto sólido no ar ou vácuo, recebe a "iluminação" por pulsos emitidos a partir de um radar. Isso ocorre sempre que existem  alterações significativas na densidade atômica entre o elemento emissor e o objeto iluminado, isto é, sempre quando atingido um alvo, este espalha as ondas de rádio. As superfícies eletricamente condutoras se tornam bons espelhos para radiofreqüência, desta forma aeronaves e navios são facilmente detectados. Para dificultar a reflexão eletromagnética, veículos militares contém em suas blindagens elementos resistivos e substâncias magnéticas que "camuflam" boa parte dos sinais pois se tornam boas absorvedoras de energia eletromagnética. As ondas de radar se dispersam de diversas formas, dependendo do comprimento de onda, freqüência e forma do alvo. Se a a freqüência é muito maior em comprimento de onda que o tamanho do alvo, a energia será devolvida ao largo de uma forma semelhante à maneira como luz é refletida por um espelho. Sendo muito maior do que o tamanho do alvo, este é polarizado da mesma forma que uma antena dipolo. À este efeito se dá o nome de "espalhamento Rayleigh". Quando as duas escalas são comparáveis comprimento, poderão haver ressonâncias, isto é, o objeto atingido pela frente de onda ressona e devolve a radiação reemitindo-a. Freqüências muito altas, quando atingem o alvo, refletem em suas curvas e cantos, deformando o sinal. Os objetos mais reflexivos metas possuem bordas e cantos com ângulos menores que 90°. Uma estrutura composta por três superfícies planas reunidas em um único canto (Forma piramidal), ao penetrar em si a radiofreqüência, sempre vai refletir ondas eletromagnéticas. A este efeito se chama reflexão de canto cujos refletores são comumente utilizados em radares refletores, (freqüentemente em embarcações), a fim de melhorar a sua detecção numa situação de salvamento e para reduzir as colisões. Por semelhança, para evitar a detecção, o ângulo se inverte, isto é, ao invés de ser utilizada a parte interna de uma pirâmide reflexiva, se utiliza a parte externa, o que provoca um espalhamento em todas as direções do sinal, o que causa a impressão deste ter sido absorvido. 

*Radar, princípios de funcionamento

*RADIOASTRONOMIA