06.0 PESQUISAS EM VLF

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

5.2 O DEFEITO DO SATÉLITE "TERRA" 6.1 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Torre da Ionosonda (Potência de transmissão: 1,3 MW)

(c) py5aal O modelamento e compilação de dados da camada D da ionosfera podem fornecer não só a composição físico-química da região, também se pode observar os distúrbios geomagnéticos, as ocorrências das auroras polares, “fade-out’s” nas propagações de ondas curtas em freqüências maiores. As perturbações geradas pela atividade solar, podem ser facilmente detectadas pela rádio observação no espectro de VLF, e esta é de fundamental importância para o desenvolvimento de instrumentos e dispositivos de física moderna e radioastronomia. A observação em baixa freqüência propicia o desenvolvimento de técnicas e ferramentas que possibilitam a detecção inclusive dos chamados “flares” solares por via indireta a partir de seus efeitos na ionosfera. Também é possível o estudo de fenômenos que podem demonstrar a estrutura da região que intervém nos processos físico-químicos da alta atmosfera na altitude compreendida entre 60 e 90 km [3], [4], [5].

Durante a noite, na camada D, a concentração iônica média não ultrapassa 50 a 100 íons/cm3, desta forma não intervém no mecanismo de propagação, assim, o estudo da região para os fenômenos relativos à energia provinda do Sol são desprezíveis, porém, durante o dia, devido aumento de densidade iônica, a região reflete os sinais de VLF, portanto, ao nascer do Sol e durante todo o passar do dia, se pode verificar as condições de ruído de fundo nas freqüências de ELF, VLF e LF [3]. Após o nascer do Sol, a ionzação da camada D aumenta e atinge o seu pico em torno do meio dia local. Desta forma, ao se detectar os ruídos de fundo provenientes da alta atmosfera, se poderá mapear através de gráficos sua variação. Dentre estes, dependendo das condições de emissão solar, há um pico de ionização que se dá logo após o amanhecer chamado PSRH (Post Sun Rise Hump), em seguida, há um decréscimo do sinal-ruído acompanhado novamente de um crescente aumento até em torno das 13:00 horas locais, para novamente ocorrer um decréscimo que seguirá até o pôr do Sol.

(c)py5aal Após o pico começa ocorrer a diminuição da ionização, porém, poderão ser captados sinais provenientes de fenômenos atmosféricos meteorológicos de regiões próximas à recepção do ruído ionosférico. Uma vez que os sinais VLF não têm sua reflexão influenciada após o pôr do Sol na camada “D”, à noite não se torna interessante o seu monitoramento, contudo, podem ser captados efeitos provocados pela radiação gerada pela desintegração de meteoros, apitos, chiados, etc. A densidade iônica aumenta ao amanhecer, e este aumento se dá até logo após o meio dia local, a curva típica do sinal/ruído ionosférico recebido em VLF, tem assim um decréscimo, este pode ser medido por um equipamento adequadamente calibrado para a recepção de RF na faixa de 20 kHz. Isso ocorre porque o coeficiente de reflexão da camada mais baixa é bem menor que o índice das camadas de maior altitude. Provavelmente o efeito descrito se deve pela menor densidade eletrônica, fato a ser investigado. Em geral, ocorre um acréscimo do nível do ruído de fundo ao amanhecer, este acaba por atingir um pico após o meio-dia local para linearizar em seguida. Se poderá observar também que a volta do nível iônico se deve ao tempo necessário para que os íons formados durante o dia se recombinem entre si, conforme descrito anteriormente. Após o pôr do Sol, devida recombinação ocorre um aumento abrupto do nível do sinal, a absorção da região D é proporcional à sua concentração iônica, assim, o equilíbrio iônico oscila entre ionização, dominante a apartir do nascer do Sol, no início do dia, que chega a um pico, até o início da recombinação que ocorre imediatamente à diminuição do fluxo solar. É possível, através da recepção dos sinais oriundos da região D, constatar alguns efeitos, dentre estes um fenômeno chamado “Sudden Enhancements of Atmospherics”, SEA. Este é gerado por perturbações ionosféricas correlacionadas com erupções cromosféricas solares (Oriundas da fáculas e manchas solares) que após ocorrer, a massa coronal ejetada atinge a magnetosfera da Terra. Uma boa parte da massa coronal ejetada, chega a alterar as condições de ionização, o que é facilmente detectável na faixa de freqüência VLF, mais especificamente em torno dos 20 kHz [3].

(c)py5aal A denominação SEA é oriunda dos registros de nível de sinal/ruído atmosférico que ao ser atingida a camada D, tem uma súbita elevação para em seguida haver um decréscimo lento e gradual. Quando se tem uma estação transmissora em VLF, no momento da ocorrência de um SEA, também se verifica na estação receptora que os sinais emitidos têm o incremento abrupto, para logo após haver uma redução da recepção que retorna aos níveis anteriores, a este efeito se denomina SES, que significa "Sudden Enhancement of Signals" [1]. Friedman investigou a emissão de Raios-X solares, e demonstrou que a emissão pelos centros de atividade solares é cerca de 70 vezes maior que nas regiões não perturbadas, assim foi estudado que as emanações de raios-X são as responsáveis por uma boa parte da ionização da “Camada D”[1]. Ou, quando ocorre um “flare” solar, no momento em que a radiação ionizante atingir a Terra, ocorrerá um acréscimo no valor do coeficiente de reflexão da região “D”, assim, haverá um aumento do ruído e dos sinais daquela camada captados por receptores sintonizados na faixa de 20 KHz ou abaixo. Também, no momento em que cessa o fluxo dos raios-X ocorrerá um declínio exponencial do nível do sinal/ruído recebido. Isso acontece devida recombinação do excesso dos íons formados durante o fenômeno [3]. É sabido que no início do dia, as radiações-X provenientes do Sol atingem a alta atmosfera ionizando-a, também já foi visto que a principal responsável por tal efeito a radiação denominada Lyman alfa. Também já se sabe que a propagação de sinais em freqüências em torno de 20 até 30 kHz se processa de modo semelhante a de uma propagação de rádio num guia de ondas constituído pela ionosfera e pela superfície do Planeta.

(c)py5aal As perturbações geradas pela atividade solar, podem ser facilmente detectadas pela rádio observação no espectro de VLF, e esta é de fundamental importância para o desenvolvimento de instrumentos e dispositivos de física e radioastronomia. A observação em baixa freqüência propicia o desenvolvimento de técnicas e ferramentas que possibilitam a detecção, inclusive dos chamados “flares” solares, por via indireta a partir dos ruídos gerados na ionosfera que indicam a chegada de Massa Coronal Ejetada, de radiações Alfa Lyman, radiações ultra-violeta, entre outras quando das gandes explosões solares.(c)py5aal A Ionosfera é uma região eletrizada da atmosfera da Terra e está situada em altidutes de aproximadamente 50 Km, consiste de íons e de elétrons livres produzidos pelas influências ionizantes da radiação solar e de partículas cósmicas e solares energéticas incidentes. A região está sujeita a acentuadas variações geográficas e temporais. Exerce um profundo efeito sobre as características das ondas de rádio propagadas dentro, ou através de si. Os íons, plasma ionosférico, etc, propiciam o fenômeno da reflexão, refração entre outros efeitos nas ondas de rádio até aproximadamente 30 MHz em condições normais. A reflexão ionosférica, espalhamento e canalização tem ocorrido até freqüências acima de 50 Mhz, mas estatisticamente o tempo de ''propagação aberta'' nas bandas altas se torna muito susceptível à variações ambientais. Na prática, sua utilização se dá no máximo até 30 MHz.

(c)py5aal Os campos magnéticos do Sol e da Terra interferem-se, as observações solares necessitam a monitoração do fluxo solar na faixa de 10,7 cm, ou seja , o índice Boulder A e o índice Boulder K . Checar estas condições e compará-las em sites da Internet em tempo real, fornecem importantes dados sobre as condições de irradiação. A atividade geomagnética, tempestades solares, raios – X , Flares ( dilatações solares ) etc, causam reações na propagação, alterando a MUF, que pode indicar por comparação se o índice A demonstra estabilidade geomagnética. Magnetômetros geram o número chamado Índice Planetário K, que pode ser comparado em sites da internet também, que dispõem da leitura direta através de satélites. Qualquer alteração no índice K é significativa quando abaixo de 3, geralmente indica na média, condições boas e estáveis . Qualquer número acima de 3 indica absorção nas ondas de rádio nas camadas altas (F1 e F2). A cada ponto, refletem-se mudanças nas condições geomagnéticas, assim, por comparação, mudanças nas MUF's podem gerar um índice reverso que pode ser comparado ao índice K. Geralmente as medidas mais elevadas do índice K, são encontradas nas altas latitudes, em especial no Hemisfério Norte, onde é efetuado este estudo intensivamente. Quando os índices A e K são altos, isto indica efeitos de instabilidade geomagnética que tendem a ser mais concentradas nas regiões polares. Pela leitura de ruídos oriundos da região D, se pode detectar os chamados “Sudden Enhancements of Atmospherics”, SEA, estes são resultados das perturbações ionosféricas correlacionadas com erupções cromosféricas solares que ejetam massa coronal que atinge a magnetosfera da Terra.

(c)py5aal Uma boa parte da massa coronal ejetada altera as condições de ionização, estas são detectáveis na faixa de freqüência VLF em 20 kHz. A denominação SEA é oriunda dos registros de nível de sinal/ruído atmosférico que ao ser atingida a camada D, tem uma súbita elevação para em seguida haver um decréscimo lento e gradual. Quando se tem uma estação transmissora em VLF, no momento da ocorrência de um SEA, também se verifica na estação receptora que os sinais emitidos têm o incremento abrupto, para logo após haver uma redução da recepção que retorna aos níveis anteriores, a este efeito se denomina SES, que significa "Sudden Enhancement of Signals".

(c)py5aal Friedman investigou a emissão de Raios-X solares, e demonstrou que a emissão pelos centros de atividade solares é cerca de 70 vezes maior que nas regiões não perturbadas, assim foi estudado que as emanações de raios-X são as responsáveis por uma boa parte da ionização da “Camada D”. Ou, quando ocorre um “flare” solar, no momento em que a radiação ionizante atingir a Terra, ocorrerá um acréscimo no valor do coeficiente de reflexão da região “D”, assim, haverá um aumento do ruído e dos sinais daquela camada captados por receptores sintonizados na faixa de 20 KHz ou abaixo. Também, no momento em que cessa o fluxo dos raios-X ocorrerá um declínio exponencial do nível do sinal/ruído recebido. Isso acontece devida recombinação do excesso dos íons formados durante o fenômeno.

(c)py5aal Os raios cósmicos são partículas extremamente penetrantes que têm velocidades de deslocamentos muito próximas à luz .Ao penetrar na atmosfera, colidem com núcleos de átomos dos gases presentes e ocorre o que se chama de “chuva” de partículas de menor energia, são os “raios cósmicos secundários”. Inicialmente pensava-se que fótons de alta energia eram os raios cósmicos, mas descobriu-se que são distintos: os raios primários e os cósmicos secundários. Os raios cósmicos de origem solar são de energia relativamente baixa. Tem uma variação de intensidade e espectro que acompanham os eventos solares, seu aumento provoca diminuições nos raios cósmicos provindos do espaço, o vento solar com seu campo magnético, e interação desvia-os de suas trajetórias. (c)py5aal A leitura em VLF (Very Low Frequency - Freqüência Muito Baixa), refere-se a frequências rádio (RF) na faixa de 3 kHz a 30 kHz. Na região do espectro de rádio, só os sinais mais simples são usados, por exemplo, rádio navegação, pois o comprimento de onda gira em torno dos dez quilômetros. As ondas VLF podem penetrar na água até uma profundidade de cerca de 10 a 40 metros, dependendo da freqüência empregada e da salinidade, por isso são usadas para comunicação com submarinos próximo à superfície (por exemplo, utilizando um transmissor DHO38), navegação rádio balizas (alfa) e sinais horários (beta). No caso do Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho, através de um convênio entre o Instituto de Aeronáutica e Espaço e as Faculdades Integradas Espírita, Campus Universitário Bezerra de Menezes (UNIBEM), pesquisadores vem realizando a partir de setembro de 2008, a leitura ou recepção monitorada via Internet dos sinais chegados a um sensor de baixo ganho. Tal estudo visa verificar as variações do ruído de fundo na regiâo da AMAS (Anomalia Magnética do Atlântico Sul), comparativamente a dados adquiridos a partir dos satélites GOES, que monitoram constantemente a chegada de energia a partir do Sol, pela leitura do vento solar.

(c)py5aal Radio-observações realizadas a partir do Campus de Pesquisas Geofísicas major Edsel de Freitas Coutinho. Nota-se que o sinal varia e observa-se a ausência de poluição eletromagnética na região, reforçando assim, a previsão do grupo de pesquisas liderado pelo professor pesquisador Borba de que o Campus de Paula Freitas seria promissor. Não foi à toa a escolha pela Aeronáutica da localidade, e percebe-se que à medida em que aumentam as atividades de pesquisas geofísicas no campus, aumentará a qualidade dos dados. O próximo passo será a instalação de uma antena de recepção em VLF de alto ganho, que comprovará se a torre atua ou não como um filtro eletromagnético na sua freqüência de operação.

VLF - Laboratório do Campus de Pesquisas Geofísicas.

Quando se diz VLF (Very Low Frequency - Freqüência Muito Baixa), refere-se a frequências rádio (RF) na faixa de 3 kHz a 30 kHz. Nesta região do espectro de rádio, só os sinais mais simples são usados, por exemplo, rádio navegação. As ondas VLF podem penetrar na água até uma profundidade de cerca de 10 a 40 metros, dependendo da freqüência empregada e da salinidade, por isso são usadas para comunicação com submarinos próximo à superfície (por exemplo, utilizando um transmissor DHO38), navegação rádio balizas (alfa) e sinais horários (beta). No caso do Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho, através de um convênio entre o Instituto de Aeronáutica e Espaço e as Faculdades Integradas Espírita, Campus Universitário Bezerra de Menezes (UNIBEM), a atual pesquisa foi iniciada em 2006 e encerrada em 2010. A partir de setembro de 2008, a leitura e recepção passou a ser monitorada via Internet. Tal estudo visou verificar as variações do ruído de fundo na região da AMAS (Anomalia Magnética do Atlântico Sul), monitorar sinais pilotos HF e suas variações, além de observar, a partir de ferramentas computacionais disponíveis, as variações de níveis de eletricidade e descargas atmosféricas.

A pesquisa tinha o intuito de buscar uma relação entre as descargas atmos-féricas e ruído cachoeira, comparativamente à propa-gação de rádio e atividade solar, na regiâo da AMAS. Ou seja, a partir dos cruzamentos de dados compilados, se poderia criar ferramentas compu-tacionais confiáveis de previsões das atividades elétricas da região, evi-tando assim prejuízos ocasionados por black-out tanto nas comunicações, quanto na distribuição de energia elétrica.

Computadores podem ser usados como ferramenta de recepção ou transmissão de RF, uma das técnicas utilizadas pode ser o SDR, Software-defined radio, basicamente é o rádio definido por Software. que é um equipamento de comunicação em que os componentes são tipicamente implementados em hardware, ou seja, misturadores , filtros , amplifi-cadores , moduladores, desmoduladores, detectores , etc. ao invés de serem componentes físicos, são definidos por programas específicos que rodam em um computador pessoal. No caso da atual pesquisa, o sistema SDR foi utilizado a partir de terceiros, ou seja, não foi implantado no laboratório de pesquisas, mas foi aproveitada a facilidade cedida gentilmente por radioamadores do grupo SDR-BR que permitiram o uso de tal sistema. Os agradecimentos dos pesquisadores aos componentes do SDR-BR. (https://br.groups.yahoo.com/neo/groups/SDR-BR/info).

Placa de identificação da Torre da Ionosonda - 130 metros de altura e 12 toneladas com potência irradiada de 1.300.000 Watts, instalada no Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho.

Espectrômetro de VLF de Paula Freitas, a cor lilás no espectro indica a presença da torre de VLF que funciona como um filtro às radiações eletromagnéticas presentes na região, a faixa indica a sintonia e largura de banda da torre.

Espectrômetro de VLF de Paula Freitas, na parte de baixo existe uma faixa horizontal azul, esta indica a presença de um campo magnético muito forte, este foi ocasionado pela aproximação de um imã ao sensor. No gráfico à direita (Faixa vertical azul) vê-se o pulso eletromagnético criado pelo sensor quando houve a aproximação do imã.