04.1 A IONOSFERA

INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO - IAE -FACULDADES INTEGRADAS ESPÍRITA - FIES - CAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHO - Convênio 2006-2012 Professor Angelo Antônio Leithold

04.0 A ATMOSFERA DA TERRA 04.2.1 A CAMADA "C" DA IONOSFERA

(c) py5aal A ionosfera se localiza entre sessenta e aproximadamente quatrocentos quilômetros de altitude, é composta de íons, plasma ionosférico, e, devida sua composição, reflete ondas de rádio até aproximadamente 30 MHz. Seu maior agente de ionização é o Sol, cuja radiação nas bandas de raios-X, e ultravioleta, insere grandes quantidades de elétrons livres em seu meio.

(c) py5aal Os meteoritos e raios cósmicos também são responsáveis pela presença secundária de íons na região, e a densidade de elétrons livres é variável de acordo com a hora do dia, estação do ano, e variações da composição química da alta atmosfera.

(c) py5aal 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 [1] , [2].

Figura 17: Ionosfera e atmosfera e a ionosfera. À direita um ionograma (FonteAngeloleithold: http://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:IonogramLayerIonosphereAAL.JPG).

(c) py5aal A partir dos cem quilômetros de altitude 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 assim camadas de absorção distintas e variáveis, conforme a hora do dia, são as "camadas ionosféricas". Nas zonas mais baixas, os elétrons livres e íons desaparecem, 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 e 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 mergulhamos na atmosfera, até uma certa profundidade. 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. Num plasma com N colisões elétron - partículas (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 [2], [3].

(c) py5aal A densidade da ionosfera se mede por N elétrons por metro cúbico. Despreza-se na prática (Neste caso) os efeitos térmicos, e efeitos gravitacionais por esses serem 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 devida absorção de energia, que vai fazer separar as camadas de acordo com o nível energético que o plasma ionosférico absorveu. 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.

(c) py5aal A reflexão é exatamente uma das propriedades exploradas pesquisa de prospecção ionosférica para a pesquisa da AMAS, daí a importância de se conhecer os fenômenos ionosféricos e atmosféricos. As camadas ionosféricas, uma a uma, refratam as ondas eletromagnéticas em si propagadas. Durante a noite as camadas “D” e “E”, perdem sua densidade em elétrons livres, devida diminuição da ionização solar, não deixam de existir, mas perdem a densidade e aumentam a altitude. Durante o dia o aumento de densidade é significativo, conseqüentemente, a altitude diminui.Existe também, durante o dia, uma atenuação maior dos sinais, mas ao mesmo tempo que o sinal se atenua pelo aumento da densidade, também refletirá mais, justamente devido à este aumento [4] , [10].

Plasma Ionosférico na região da AMAS

(c) py5aal Num meio com ''n'' colisões por segundo de partículas, íons, átomos, moléculas, elétrons, dentre outras, os movimentos do plasma têm características ora fluidas, ora sólidas (Para a radiofreqüência), ora gasosas, e, ao mesmo tempo ressonam nos mais diferentes comprimentos de onda [3], [4]. Os elétrons, por exemplo, podem ''absorver'' a energia em determinada freqüência, e ''devolvê-la" sem que tenha ocorrida recombinação detectável. Analogamente se pode afirmar que houve, a grosso modo, uma ''retransmissão''. Havendo uma pequena ''perda'' em recombinação, o comprimento de onda do sinal retransmitido ficará mais longo, pois haverá um comportamento similar a uma refração ou uma alteração somente com redução de freqüência, a exemplo da luz verde em objeto vermelho [6]. A ressonância pode ser considerada, nestes casos, também responsável pela "impressão" de reflexão, refração e absorção de determinados comprimentos de onda. Dependendo da ''quantidade'' de energia ''absorvida'' pelo elétron, esta pode ser ''aproveitada'', a recombinação iônica atua assim ''estabilizando'' a região, ou, dependendo da quantidade de energia provinda do Sol e do comprimento de onda adicional, ocorrerá a reionização. A ionosfera, dependente da insolação nas bandas de Raio-X e luz ultra-violeta, separa-se em camadas e ressona em diversos comprimentos de ondas, refrata ou absorve a radiofreqüência propagada no meio. Em especial, na região da AMAS, a energia do vento solar é menos atenuada pelos cinturões de Van Allen [3]. Em geral, no plasma ionosférico encontramos maior condutividade iônica e permissividade eletromagnética, isto é, em alguns momentos parece se comportar como um condutor elétrico ou placa metálica que "reflete" determinados comprimentos de onda, em outros pode se comportar como uma espécie de placa metálica que, em determinadas freqüências pode inclusive refletir (Na verdade é uma refração) o sinal de RF.

(c) py5aal Também pode refratar outros comprimentos de onda ao mesmo tempo, e praticamente sem perdas, ou em outros momentos, absorver a RF inutilizando totalmente a propagação. Um efeito que pode ser descrito como uma espécie de ''blindagem'', ou ''filtro natural'' para determinadas freqüências, este é estritamente dependente das condições ''magnéticas'' da região [4], [5].

Figura 23: Transmissão de sinais via ionosfera onde somente uma estação capta a outra ( http://br.geocities.com/atmosfera_ionosfera/Monotransmissao_Angelo_Leithold_1975.jpg)

(c) py5aal Na figura 23 , se observa um fato bastante comum que ocorre entre duas estações transceptoras, onde a primeira ouve a segunda, mas a segunda não ouve a primeira , em geral este fenômeno ocorre pela ductificação do sinal. No caso da região da AMAS, ainda não se tem estudos conclusivos sobre os efeitos da diminução do campo magnético e sua influência na ionização das camadas ionosféricas [3]. Conforme descrito anteriormentre, durante o dia, pela ação do Sol, acontece o aparecimento de camadas segundo a densidade de íons. A região ''D'', por exemplo, mais próxima do solo, é a menos energética, e é a que ressona nos maiores comprimentos de ondas (Freqüências menores). É sabido que não reflete radiofreqüência de HF na banda alta, é a principal responsável pela maior quantidade de absorção de energia eletromagnética, justamente devida absorção nos comprimentos de onda longos.