02.1 CAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍCSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHO - PGMEFC - PAULA FREITAS - ATIVIDADES - NOTAS DE AULA:  

FACULDADES INTEGRADAS 'ESPÍRITA' – FIES

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DR. BEZERRA DE MENEZES – UNIBEM

CURSO DE FÍSICA COM ÊNFASE EM ASTRONOMIA 

Campus de Pesquisas Geofísicas "Major Edsel de Freitas Coutinho"

- Paula Freitas - Paraná -

(c)Leithold O acompanhamento das condições iônicas é bem conhecido na faixa de VLF, mas pouco utilizado na faixa de HF, provavelmente devida à alta poluição eletromagnética nesta região do espectro. A poluição no espectro de radiofrequência na faixa de HF é causada principalmente por estações de rádio comerciais e por radioamadores. Muitas vezes a descalibração dos equipamentos e o excesso de potência, acabam por interferir em outros serviços. Dentre os serviços, aqueles cuja finalidade é o monitoramento das condições atmosféricas e outros efeitos. O desenvolvimento de instrumentação e a observação em HF durante 24 horas por dia durante cerca de quatro anos foi necessário para capturar eventos solares cujas previsões de suas ocorrências são impossíveis devidas as muitas variáveis. A busca foi basicamente voltada a fenômenos que poderiam ocasionar black-out´s totais nas comunicações, mapeá-los e compará-los com outros eventos. Os dados da quantidade de descargas atmosféricas foram obtidos a partir do monitoramento feito pelo INPE, do Grupo Eletricidade Atmosférica daquele Instituto. Observações e comparações foram obtidas a partir da borda da região central da AMAS, e fora desta, para verificar se realmente a quantidade de relâmpagos seria maior na região da anomalia. Após prontos os dispositivos e a teoria, em meados de 2008, a leitura propriamente dita foi iniciada em maio de 2009. Para tal, foram colhidas imagens disponibilizadas pelos satélites GOES, NOAA e INPE, além dos dados colhidos pela equipe do CPGMEFC.

Figura 1: Laboratório de HF LACEC-UNIBEM 2007 - 2010 - Fonte: Angelo Leithold

(c) leithold Experimentos e dados colhidos a partir do Campus de Pesquisas Geofísicas major Edsel de Freitas Coutinho a partir do desenvolvimento de ferramentas ou métodos que visam observar a propagação de rádio na faixa de HF, ao redor da frequência de 7,00 MHz, na faixa de comprimentos de ondas de quarenta metros. A frequência foi escolhida, devido a facilidade de confecção das antenas, cujo comprimento mecânico de cada monopolo é próximo de dez metros. O sistema e as antenas foram desenvolvidos durante os anos de 2007 e 2008. A intenção foi a captura de Distúrbios Súbitos da Ionosfera (Sudden Ionospheric Disturbance - SID) e fenômenos correlatos através do monitoramento em radiofrequência, comparado à endereços do INPE, da NASA e de espectrômetros disponibilizados pelo grupo SDR-BR de radioamadores, pelos senhores William Schauff, Edson Pereira e João Kolar De Marco.

Figura 2: Sinal emitido a partir laboratório de HF LACEC-UNIBEM - 2007 - 2010 Fonte: Angelo Leithold

(c) leithold Parte das frequências pesquisadas deveriam ser próximas à radiação luminosa do infravermelho até o ultravioleta e partículas e alta energia, mas devida a escassez de recursos financeiros, o foco da pesquisa foi mudado para a região do HF, porque grande parte das radiações no extremo do espectro não chegam ao solo devidas inúmeras regiões ou camadas ionosféricas, porém deixam seus "rastros" para ser medidos com outras ferramentas. As camadas superiores bloqueiam ou absorvem radiações luminosas ou partículas. Também o Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT), do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) propiciaram excelentes ferramentas de estudo, para comparação entre propagação de HF e localização dos relâmpagos. Assim, a busca de dados que relacionassem, ou não, se a atividade solar na região da AMAS poderia influir de forma clara na eletrificação atmosférica. Os dados quantitativos comparados com as imagens fornecidas pelo ELAT, na região de mergulho da AMAS,  e comparados com dados históricos arpazenados no CPGMEFC, forneceram vasto material de pesquisas. Na época da construção do CPGMEFC estes indicaram a localização média do epicentro da anomalia magnética na época, e confirmaram a localização atual. O desenvolvimento das ferramentas e métodos permitiram observar os Distúrbios Súbitos da Ionosfera (Sudden Ionospheric Disturbance - SID) e fenômenos correlatos através do monitoramento em radiofrequência. O Laboratório de Radiociência, durante as atividades de radiomonitoramento, forneceu dados que comparados o com os colhidos à partir dos endereços do INPE, da NASA e espectrômetros disponibilizados pelo “grupo SDR-BR”, foram essenciais para uma pesquisa com pouquíssimos recursos financeiros, e de excelente qualidade e importância acadêmica.

Figura 3: Decaimento de partículas - geração de sinais em frequências menores. Fonte NOAA

         Na ionosfera, a propagação de RF, é sobretudo influenciada pela densidade eletro-iônica, a densidade de elétrons livres é proporcional à densidade iônica (ânions, cátions), assim, quanto mais elétrons livres, mais íons. Appleton denominou as regiões iônicas com diferentes quantidades de elétrons livres e íons por camadas, estas são:: D , E, E Esporádica, F1, F2, sobre a região Norte do Brasil também existe em algumas épocas a camada F3. As radiações ultravioletas e os Raios-X em comprimentos de onda mais curtos são responsáveis pela ionização na região. A atividade solar associada ao ciclo das manchas solares é forte interferente das condições iônicas da alta atmosfera. Na região da AMAS, as perturbações causadas pelas chamas solares, variam conforme as partículas e energia emanadas chegam à Terra. Na camada iônica mais próxima ao solo, a ''região D'', os átomos geram no processo de ionização, fótons nos mais diversos comprimentos de onda, assim, a atenuação das ondas de rádio é causada pela alta densidade de elétrons-livres gerada pela radiação solar, que é pronunciada durante o dia. Fazendo um levantamento do ruído de fundo, é possível medir as variações iônicas na região da Anomalia do Atlântico Sul de forma indireta. As radiações alfa-Lyman (Alpha-Lyman series-alpha hydrogen radiation), em 121.5 nanômetros (nm) ionizam o óxido nítrico que emite um elétron. O Sol, no ciclo ativo, (com mais de 50 manchas), emite mais Raios-X ''duros'', (comprimento de onda < 1 nm), estes ionizam o gases N2, O2 e  forte ionização começa logo ao nascer do Sol. Ao se ''escutar''  RF extra-longas, é percebido o aumento do ruído de fundo gerado pela ionização. Para tal, o lugar de escuta deve ser sem poluição eletromagnética ocasionada pela rede elétrica local e outros fatores geradores de interferências de baixa freqüência. Quando anoitece, ocorre a recombinação, e o chiado de fundo se altera. A camada D é a principal responsável pela absorção da RF, a ionização nas suas regiões inferior e superior, são maiores durante o dia do que à noite. Durante a noite, a densidade eletrônica é inferior, estando relacionada à incidência de raios cósmicos. Existe uma ionização adicional na região, provavelmente produzida nas altas latitudes pelas partículas aprisionadas que chegam dirigidas ao longo das linhas de força do campo geomagnético. Uma vez que a propagação de RF é influenciada pela densidade eletrônica e iônica, as influências das radiações alpha Lyman e radiações eletromagnéticas em freqüências muito baixas, são facilmente mensujráveis e o ruído gerado é captado. Ao se detectar os ruídos de fundo provenientes da alta atmosfera, é possível mapeá-los através de gráficos gerados a partir do seu registro.

Leithold no Laboratório do Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho. Fonte: Oneide José Pereira.

(c) py5aal As condições especiais do CPGMEFC demonstram o estudo e aquisição de dados é de suma importância.  Mas, não se sabe por exemplo, qual é a  totalidade da influência da AMAS sobre as condições de propagação na Região Sul do Brasil, sobretudo nos momentos em que ocorrem fortes precipitações de partículas provindas do Sol. Sabe-se que as influências da AMAS chegam aos Cinturões de Radiação de Van Allen e que seu mergulho é próximo à superfície da regiâo, ou seja, as partículas se aproximam do solo na região do seu epicentro, gerando diversas interações com o topo da Troposfera, diferente de ouras regiões do planeta. Na década de sessenta através de explosões nucleares na alta atmosfera mostraram dados coincidentes com os colhidos na AMAS. Por exemplo, é facilmente observável que existe correlação entre a densidade eletron-iônica em relação às mudanças da radiação solar que acompanham as flutuações  de propagação de RF em longo prazo, sendo dependentes do estado solar momentâneo. Ou seja, ao variar a irradiação solar, variam também as condições ionosféricas, e, proporcionalmente variará a absorção nas camadas ionizadas. Sendo mensurável a absorção da radiofrequência na atmosfera nos mais diversos comprimentos de ondas, sua interferência nas comunicações, fenômenos de absorção, dutificação  ou canalização, entre outros efeitos. Foi observado que a propagação das ondas de SHF, que é a freqüência usual de muitos sistemas de radar, também é afetada na região. 

          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. 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. 

Gráfico Raios-X recebidos pelo Satélite Goes e capturados via Internet em tempo real

          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". 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.

Espectrômetro de VLF do Campus de Pesquisas Geofísicas Major Edsel de Freitas Coutinho

Acima, espectrômetro localizado na Estação Antártica. Linha branca vertical ao centro sinal emitido de Curitiba.

Acima, espectrômetro localizado em Pardinho-SP. Linha branca vertical, sinal emitido a partir de Curitiba.

EMBAIXO

Black-out total

Reabertura da propagação

         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. As primeiras radio-observações já são 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. Na próxima viagem, será trocada a entrada de dados do sensor de VLF para confirmar a ação filtro.Na região de Paula Freitas, é importante tal parâmetro, pois não somente a quantidade de energia calorífica pode ser determinada, mas também as energias de partículas que seguramente atravessam o Cinturão de Van Allen e atingem a região. As radiações eletromagnéticas que se propagam no plasma presente na alta atmosfera, ora refletem, ora refratam no meio onde se propagam. Logo oscilam conforme as variações das condições de densidade iônica na região da AMAS.

(c)leithold Quando anoitece, ocorre a recombinação, e o chiado de fundo se altera. A camada D é a principal responsável pela absorção da RF, a ionização nas suas regiões inferior e superior, são maiores durante o dia do que à noite. Durante a noite, a densidade eletrônica é inferior, estando relacionada à incidência de raios cósmicos. Existe uma ionização adicional na região, provavelmente produzida nas altas latitudes pelas partículas aprisionadas que chegam dirigidas ao longo das linhas de força do campo geomagnético. Uma vez que a propagação de RF é influenciada pela densidade eletrônica e iônica, as influências das radiações alpha Lyman e radiações eletromagnéticas em freqüências muito baixas, são facilmente mensujráveis e o ruído gerado é captado. Ao se detectar os ruídos de fundo provenientes da alta atmosfera, é possível mapeá-los através de gráficos gerados a partir do seu registro. As condições especiais da região  de Paula Freitas ainda estão em estudo. Não se sabe por exemplo, qual é a influência da AMAS sobre as condições de propagação, sobretudo nos momentos em que ocorrem fortes precipitações de partículas provindas do Sol. Perturbações geradas pela atividade solar, podem ser facilmente detectadas no espectro de HF e 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. Durante as pesquisas também foi verificado que na faixa de HF as radiações Alfa Lyman interferem no índice de ruído de fundo. Foi possível checar estas condições e compará-las com o nível do ruído branco de fundo comparando com sites da Internet em tempo real. Isso ocorre porque 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. Comparando com dados fornecidos on-line com magnetômetros geram o número chamado Índice Planetário K e foram detetados os “Sudden Enhancements of Atmospherics”, SEA, oriundos de perturbações ionosféricas correlacionadas com erupções cromosféricas solares que ejetam massa coronal que atinge a magnetosfera da Terra. 

Referências Bibliográficas

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- Universidade de São Paulo - Instituto de Geociências ( Acessado em 22/04/07 http://www.igc.usp.br/instituto/)

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