04 MUF - MÁXIMA FREQUÊNCIA UTILIZÁVEL

MUF ou MFU

Máxima frequência utilizável (MUF, da sigla em inglês de maximum usable frequency) é máxima frequência utilizável para a qual a onda se propagará entre dois pontos. Como existe uma variação na densidade da região F2, as MUFs calculadas para um determinado momento são limites estatísticos, podem não corresponder para com a verdade prática. Quando se trata de previsões de propagação, as variáveis são tão grandes quanto a previsão das condições da atmosfera. Também é definida como a máxima frequência utilizável para a qual a onda de rádio em determinadas frequências se propagará entre dois pontos, refletindo ou refratando, dependendo dos fatores de refração e reflexão dados a cada momento na atmosfera, nas regiões onde prevalece a maior densidade iônica, chamada de ionosfera.[2] Durante o passar do tempo a uma sistematização na elaboração de conceitos e modelos matemáticos onde se pode ''prever'' o comportamento da ionosfera segundo a freqüência [3]. A ionosfera se localiza na alta atmosfera entre sessenta e quatrocentos quilômetros de altitude, é composta de íons, plasma ionosférico, e, devido à sua composição, reflete, refrata, ou dutifica ondas de rádio até aproximadamente 30 MHz, esta freqüência pode ser definida como MUF.[1] Uma determinada MUF para uma dada hora poderá ser maior ou menor que a predita. A função de se utilizar índices baseados em estatística, é uma questão de se saber da melhor probabilidade de haver uma comunicação entre dois pontos no planeta, isso não significa que haverá contato, porém teremos grande possibilidade para tal. A radiofrequência quando se propaga em direção às camadas altas da ionosfera, obrigatoriamente passa pela camada E. Nesta camada há atenuação, reflexão e refração dos sinais de rádio. Se a máxima frequência utilizável da camada E for alta, com certeza o feixe de RF será refletido e bloqueado para a camada F.[1]

ALTURA DE REFLEXÕES E PROPAGAÇÃO DE RF - MUF

MUFF: Fator de Máxima Freqüência Utilizável.

No conjunto, todos os parâmetros variam sensivelmente, pois dependem da hora, época do ano, latitude e longitude, além da atividade solar, que atua decisivamente em todo o sistema atmosférico local e global. Com respeito à propagação de radiofrequência, a troposfera e a ionosfera assumem um papel importante. A troposfera se situa entre a superfície da Terra até aproximadamente 50 km de altitude. Pode-se dizer que esta região é neutra no que tange propagação de radiofrequência. Nela, o vapor d’água, a pressão atmosférica e sua temperatura são fatores determinantes, porém a refração de RF, desde que a mesma seja abaixo de 30 Ghz, [2] independe da freqüência do sinal transmitido, pois praticamente inexiste devidas colisões eletrônicas. Quanto à influência sobre a propagação de RF em frequências mais baixas, esta se dá acima dos 50 Km até aproximadamente 1.000 km. Portanto, é nesta altitude que se deve observar os fenômenos da propagação com maior atenção, pois, é na região, chamada ionosfera, formada principalmente por partículas livres carregadas, ou partículas ionizadas, que o sinal de rádio ao se propagar depende da freqüência e sofre importantes influências do meio plasmático. A atmosfera, neste caso, não pode ser enxergada como um todo, pois tem regiões que podem ser vistas como se fossem camadas diversas, cujas características diferem de maneira bastante particular. [3] Acima da camada de ozônio, em torno de 50 km de altitude, surgem as regiões, distribuídas de forma bastante distinta, em camadas de partículas ionizadas (Ver figura ao lado). Estas são resultado da radiação solar, em especial da absorção de luz ultravioleta e raio-X pelas partículas neutras. [3] A energia contida pela radiação solar, em especial ondas eletromagnéticas de alta freqüência, causam a fotoionização na alta atmosfera, criando assim, as ditas regiões parcialmente ionizadas. Por este motivo, esta região da atmosfera é chamada ionosfera. As camadas, ou regiões de ionização, estão contidas entre os 50 até 1.000 km acima do solo. É sabido que em seu topo, isto é, para além da última camada, os íons se estendem para o espaço, misturando-se assim ao vento solar e ao plasma interplanetário interpenetrando na magnetosfera. É durante a face diurna da Terra, que se estendem e se separam as diversas camadas (ou regiões) ionosféricas. Particularmente arbitra-se que a densidade iônica forma três regiões básicas. A estas se dá o nome: ''regiões D, E e F'', as divisões destas não são de maneira tão distinta quanto mostrada por algumas literaturas. Entre si (Nas camadas) não deixam de existir íons, o que ocorre é uma variação da densidade iônica, isso, de certa forma, delimita uma tênue fronteira que pode ser interpretada como a separação entre diferentes camadas.[3] Esse tipo de descrição, por ''camadas'', é necessário para que se possa entender e fazer o estudo das ditas separadamente. Numa descrição simplista, não se separam como a água e o óleo, ou seja, não existe uma fronteira distinta e precisa que as delimitam entre si. O que ocorre, é uma diferenciação de absorção e variações da refração da RF e ressonância que variam conforme a altura, ou seja, de uma maneira muito mais sutil. Por exemplo: podemos visualizar água limpa, translúcida, num recipiente transparente, derramamos um pouco de tinta nanquim, haverá um determinado momento em que a tinta se misturará à água, mas haverá uma determinada ''fronteira'' entre a ''água mais escura'' e a ''água mais clara'', nesta região fronteiriça que se forma (Digamos, numa espécie de degradeé) [1] , a variação de densidade da água é mínima, pois na ''fronteira entre a água tinta e a água, ainda é água''. Porém, apesar das ''duas águas'', uma totalmente translúcida e outra menos, devida diluição, se banhado de luz o recipiente, o comprimento de onda da luz absorvido pela água varia. Digamos, há uma espécie de ''sintonia'', onde determinados comprimentos de onda de luz, simplesmente passam pela água, e outros são absorvidos de acordo com a variação da ''quantidade'' de tinta diluída na região fronteiriça. Da forma descrita acima, na ionosfera as tais ''camadas'' se comportam. Embora não possam ser definidas como ''camadas'' pura e simplesmente, e sim como ''regiões'', cada região ionosférica, pode estar contendo, muitas vezes, diversas camadas em si (Ou sub-camadas). Mas, por uma questão de aceitação de conceitos através dos anos, e devidas utilizações do termo que variam conforme a região e as pessoas, atualmente aceita-se que as regiões ionosféricas sejam denominadas ''camadas ionosféricas''. Um exemplo bastante ilustrativo é a região F, em que, nas épocas de ocorrência de grande ionização, no período diurno, no verão, se divide em duas ou mais sub-regiões (ou camadas), chamadas F1 e F2. [3] A região F após atingir o pico máximo de concentração eletrônica/iônica, tem a sua densidade decrescida e funde-se ao vento solar à medida em que subimos em direção ao espaço exterior. A distribuição em camadas nas regiões iônicas tem uma variação de densidade de elétrons durante o dia. Por isso diferentes tipos de ondas tem a sua propagação e absorção facilitada ou dificultada, conforme as ressonâncias destas concomitantes à absorção energética ou fotoionização. O gráfico disponibilizado embaixo, mostra com bastante propriedade o fenômeno da ''reflexão'' ionosférica, segundo o comprimento de onda e fotoionização. A importância da ozonosfera quanto à penetrância dos Raios-gama, Raios Ultravioleta e Raios-X. [4]

ALTURAS DE REFLEXÃO SEGUNDO O COMPRIMENTO DE ONDA

Variações comportamentais conforme o comprimento de onda. Na ionosfera, dependendo da altitude, concentração de elétrons, etc, há comportamentos diversos, muitos ocorrendo simultaneamente numa mesma região ou em regiões diferentes (Camadas). Também, reforçando a imprevisibilidade de seu comportamento, sabe-se que a ionosfera ressona e reage de formas diversas em freqüências diferentes conforme a variação de sua altitude e/ou densidade de elétrons. As regiões ionosféricas (D,E,F) possuem a característica de reagir de maneiras diferentes conforme o comprimento de onda em si propagado. Isso ocasiona uma diferença de comportamento das freqüências críticas que variam conforme a camada, ou região. Ou seja, para cada região existe a sua própria freqüencia crítica, que nada mais é do que a Máxima Freqüência Utilizável, chamada de MUF (inglês) ou MFU (português) com sua própria incidência vertical que pode ocasionar a reflexão segundo a camada e sem ter influência do campo magnético da Terra diretamente. [5]

PROPAGAÇÃO E CAMADAS ATMOSFÉRICAS E IÔNICAS

O VHF atravessa todas as camadas da ionosfera, salvo em ocasiões raríssimas que ocorrem mais pelo efeito atmosférico ordinário (Inversões térmicas, etc), também se conhecem os efeitos dos sinais de LF, MF e HF, que são comprimentos de onda que tem as suas Máximas Freqüências Utilizáveis variáveis e dependentes da altitude, da densidade eletrônica que obedece aos ciclos solares diários, anuais, e periódicos (O ciclo dos 11 anos) e variam ainda de forma distinta, isto é, cada região tem um comportamento diferente da outra no que tange a periodicidade, estes podem ocorrer ao mesmo tempo, no mesmo sentido ou não, conforme descrito no texto [1] . A camada D, é a que se situa mais próxima à superfície terrestre, sua altitude máxima está em torno dos 85 km, mas é na altitude de 80 Km que ocorre a máxima concentração eletrônica. Esta gira em torno de 10.000 elétrons/cm cúbico (el/cm3). A região D não permanece ativa durante a noite, isso ocorre devida falta de ionização e recombinação iônica, sua importância reside na propagação de RF, ou na absorção da energia eletromagnética, principalmente MF (Freqüência Média, -não confundir com freqüência modulada-), HF (Alta freqüência), e de VHF (Freqüência muito alta). Embora algumas literaturas não citem, esta região é refletora dos comprimentos de onda de LF (Freqüência baixa) e VLF (Freqüência muito baixa) [4] . As colisões eletrônicas nesta camada se dão de forma muito intensa, isso ocorre devida sua baixa altitude, portanto, alta densidade gasosa. Quando anoitece, a densidade iônica diminui, assim, a absorção diminui e fica facilitada a propagação eletromagnética devida diminuição da absorção energética. A camada E, se situa entre 85 e 140 km acima do solo, sua concentração eletrônica gira em torno de 100.000 el/cm3. A densidade iônica aumenta ao nascer do Sol, subindo gradativamente, atingindo o pico em torno do Sol a pino (Meio dia), tendo após um comportamento linear no decorrer do dia e desaparecendo ao anoitecer. Nas altitudes compreendidas entre 90 a 120 Km ocorrem variações na densidade eletrônica, quando isso ocorre, gera uma sub-camada (E esporádica) cuja espessura é de poucos quilômetros. A camada E esporádica, representada por Es, é uma perturbação que ocorre quando elétrons energizados provindos da magnetosfera, meteoros, etc, alteram a densidade iônica na altitude compreendida entre 90 a 120 Km. [6] Muitas vezes esta se manifesta próxima ao equador magnético durante o dia, é regular e não possui muita sazonalidade. Seu comportamento se torna interessante para propagação eletromagnética, quando ocorre em altas latitudes durante a noite e durante o dia, na região próxima ao equador magnético. Quando ocorre nas médias latitudes, fica interessante a reflexão em torno das freqüências de 100 Mhz (Nas outras regiões também reflete as mesmas freqüências), o que possibilita a comunicação em VHF em longas distâncias, muitas vezes são captados, devido este fenômeno, canais de televisões a milhares de quilômetros. A aparição da esporádica, em geral, é mais frequante no verão do que no inverno [7].

A camada F1 ocorre em torno das altitudes de 140 km e 200 km, possui grande variabilidade eletrônica, cujos índices vão desde 250.000 el/cm3 quando as manchas solares estão em seu índice mínimo até 400.000 el/cm3 quando as manchas solares estão em seu índice máximo. Esta camada desaparece durante a noite refrata e difunde a RF. A camada F2 se situa a partir dos 200 Km e vai até 1000 Km, podendo chegar aos 2000 Km. A determinação de seu limite inferior é dada pela distribuição e concentração eletrônica (Iônica). [6] O seu limite superior é bastante variável, pois tem grande influência determinada pela densidade iônica, esta por sua vez, varia conforme o ciclo diário da sombra solar, que por sua vez é variável conforme o ângulo de incidência energética, que também é influenciado pela atividade solar. Portanto, além da hora do dia, a densidade eletrônica tem como variáveis o ciclo solar, as alterações magnetosféricas, a hora, e outras muitas variáveis químico-físicas da atmosfera baixa e da alta. Todas as alterações ocorrem segundo a altitude e são proporcionais à irradiação, que por sua vez, variam também conforme a longitude e latitude, portanto, uma previsibilidade do comportamento ionosférico em F2 torna-se bastante trabalhosa necessitando de modelos e sistemas de cálculos muito sofisticados, e, mesmo assim a margem de erro deve ser bastante elástica. Na camada F2, pode-se afirmar que seu comportamento, no que tange à concentração iônica, obedece a um padrão distributivo difuso [8]. À este padrão se dá o nome de ''Spread F'', sua ocorrência é noturna, assim, conforme descrito, existe uma grande variação de densidade eletrônica, esta provoca o aparecimento da cintilação dos sinais de rádio que por ela se propagam, além da cintilação dos sinais de rádio, ainda faz ocorrer a cintilação da visualização de corpos celestes além de variações na recepção de toda e qualquer manifestalção eletromagnética provinda do outro lado da ionosfera, principalmente em VHF e HF. O anel de radiação interno de Van Allen, se estende de 700 até 10.000 km (0.1 a 1.5 raios terrestres aproximadamente), e contém altas concentrações de prótons enérgicos que excedem 100 MeV e elétrons na gama de 100 de KeV apanhados pelo forte (relativo aos cintos exteriores) campo magnético da região [1].

FEIXE DE PROPAGAÇÃO

Dependendo do ângulo de propagação ocorre uma alteração da intensidade do sinal devida propagação em meios de diferentes densidades, uma analogia seria um feixe de luz de uma lanterna passando por dois vidros superpostos com uma determinada distância entre eles, ao variarmos o ângulo do vidro de baixo em relação ao feixe e sua espessura, existe um determinado limite em que poderá haver o impedimento da passagem de luz para o vidro de cima. Na ionosfera ocorre este fato, os sinais podem se propagar entre dois pontos via camada E, sem necessariamente propagar pelas camadas F1 e F2. As probabilidades de erro são muito grandes, podendo variar até mais de cinquenta por cento, para cima ou para baixo da predição. A ionização causada pelo vento solar aumenta a densidade de elétrons na região D, podendo ser suficientemente grande para causar aumento na colisão de partículas neutras e elétricas, havendo um aumento de absorção para os sinais, reduzindo-os durante o dia nas baixas frequências em determinadas épocas do ano. A instalação de antenas com um baixo ângulo de irradiação pode minimizar o número de saltos requeridos entre duas estações emissoras e receptoras, assim pode haver uma redução no número de saltos através da camada D, e, por consequência a quantidade do sinal absorvido diminui, porém o ângulo baixo tem alguns inconvenientes, entre estes algumas reflexões indesejáveis e sinais que podem ser emitidos para outras zonas que não as pré-determinadas. A densidade de elétrons na ionosfera aumenta com o aumento da atividade solar, logo, a absorção de sinais também. [3] Este aumento de absorção pode chegar a tal ponto que fatalmente haverá o fechamento da propagação das ondas de rádio em determinadas frequências. Porém, ao mesmo tempo em que pode haver este fechamento pode haver também, em outras frequências mais altas, uma abertura causada justamente pelo aumento da densidade iônica. Ocorrem em função destas alterações nas condições de propagação, fenômenos onde a reflexão associada às refrações de sinais nos meios estratificados da ionosfera, a dutificação da RF, principalmente em altas frequências em determinadas épocas do ciclo solar. Graças aos fenômenos de dutificação podem ocorrer contatos ou audições de estações relativamente fracas à milhares ou dezenas de milhares de quilômetros de distância. Existem programas de predição de propagação, estes requerem que o usuário especifique o número de pontos solares (sunspot number) para os cálculos.[4] É utilizada a frequência de 2.800 MHz (10,7-cm), para medir o ruído do fluxo solar, geralmente considerada a medida mais precisa da atividade do astro. Como os dois índices são altamente correlatos um ou outro podem ser utilizados. A propagação ionosférica portanto a MUF, por consequência, é suscetível de várias espécies de distúrbios, normalmente associadas às explosões solares e manchas solares. Dependendo de sua natureza, eles são chamados de distúrbios ionosféricos rápidos, distúrbios de absorção polar ou tempestades ionosféricas. Estes fenômenos alteram a configuração dos elétrons na ionosfera, consequentemente afetando a propagação que é sensível às condições de reflexão, refração e absorção, logo influem de forma importante na MUF. A propagação é também afetada pelas mudanças no campo magnético da terra que constantemente flutua, essa flutuação ocorre com maior intensidade quando das tempestades magnéticas e ionosféricas. As tempestades magnétosféricas e ionosféricas são acompanhadas por uma aurora boreal ou aurora austral visíveis, que por consequência também influem na MUF. Os distúrbios iono-magnetosféricos ocorrerem em média a cada 27 dias em sincronismo com a rotação do sol, estes são indicados pelos índices chamados de A e K que são transmitidos para sites especializados da Internet a cada 18 minutos depois de cada hora, cuja atualização para efeito de precisão dos dados se dá a cada 5 minutos. O índice A é a medida da atividade do campo geomagnético, é transmitido diariamente com diversas atualizações, numa escala de 0 a 400. O índice K é uma medida pelo período de 3 horas do campo geomagnético numa escala de 0 a 9. Em geral a MUF diminui e a absorção do sinal aumenta quando a atividade do campo geomagnético aumenta, embora, algumas vezes a MUF aumenta nas regiões do equador.

VEJA TAMBÉM: REFLEXÃO IONOSFÉRICA COMPORTAMENTO DA IONOSFERA

IONOSFERA - RESUMO

REFERÊNCIAS

1 - Leo F. McNamara. (1994) ISBN 0-89464-804-7 Radio Amateurs Guide to the Ionosphere.

2 - Brown, P.; Simek, M.; Jones, J. Radar observations of the Leonids: 1964-1995.Astronomy and Astrophysics, v. 322, n. 2, p. 687-695, June 1997.

3 - Chamberlain, J. W. Theory of planetary atmospheres; an introduction to their physics and chemistry. Nova York: Academic Press, 1978.

4 - Lebedinet, V. N.; Shushkova V. B. Meteoric ionization. Geomagnetism and Aeronomy, v. 14, n. 2, 1974.

5 - Hargreaves, J. K., "The Upper Atmosphere and Solar-Terrestrial Relations". Cambridge University Press, 1992,

6 - Kelley, M. C, and Heelis, R. A., "The Earth's Ionosphere: Plasma Physics and Electrodynamics". Academic Press, 1989.

7 - K.Rawer and Y.V.Ramanamurty (eds) (1 January 1986). "International Reference Ionosphere - Status 1985/86". Advances in Space Research 5 (10). ISBN 0-08-034026-1 (Publisher: Pergamon Press), ISSN 0273-1177.

8 - Abell, G. O. Exploration of the universe. Nova York: Holt; Rinehart and Winston, 1975.

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