INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO - IAE

CONVÊNIO 2002-2012

PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD, PROFESSOR ONEIDE JOSÉ PEREIRA

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Camadas Ionosféricas, a Camada D.

Na ionosfera, a propagação de RF, é sobretudo influenciada pela densidade eletrônica, e/ou iônica, que à noite em geral, é mais baixa do que durante o dia. Fato interessante a se observar, é a densidade de elétrons livres que é proporcionalmente direta à densidade iônica, portanto, quanto mais elétrons livres, mais íons. Podemos observar facilmente, a distribuição de densidades eletrônicas diferentes em alturas diferentes. Na medida em que as horas do dia e da noite avançam, ocorrem variações eletro-iônicas quantitativas e qualitativas, havendo inclusive uma separação em regiões conforme o nível energético. Appleton denominou as regiões de diferentes quantidades eletro-iônicas de camadas (Layer's), D , E, E Esporádica, F1, F2.

A radiação eletromagnética propagada num meio plasmático ionosférico de densidade eletro-iônicas distribuídas em camadas, tem um comportamento análogo à propagação de raios luminosos dentro de líquidos com diferentes densidades num mesmo recipiente (Àgua e óleo, por exemplo). As radiações solares, ultravioleta (UV) e os Raios-X em comprimentos de onda mais curtos, são responsáveis pela ionização em todas as camadas ionosféricas. Também a atividade solar (Ciclo Solar) é associada ao ciclo das manchas solares, quanto mais manchas, maior atividade, ou maiores são as radiações emanadas. Outro ponto importante, são as regiões geográficas (polares, zonas de auroras, médias-latitudes, e regiões equatoriais) que têm variações eletro-iônicas diferentes conforme o local. Há mecanismos que perturbam a ionosfera e diminuem a ionização. Há perturbações, como chamas solares, que liberam partículas carregadas pelo vento solar. Estas chegam à Terra e interagem com seu campo geomagnético. Existe também em todas as camadas, segundo a natureza de cada uma, o efeito sazonal da ionização. Por exemplo: o hemisfério de inverno local, é inclinado de modo a ficar mais distante do Sol, do que o hemisfério de verão. Assim, na ionosfera local, a quantidade eletro-iônica é menor no inverno que no verão.

A camada ionosférica D.

Na camada D, os átomos geram no processo de ionização, fótons nos mais diversos comprimentos de onda, é a mais próxima da superfície da Terra, fica entre 50 km e 80~90 km de altitude. A atenuação das ondas de rádio, é causada pela alta densidade de elétrons-livres gerada pela radiação solar, que é pronunciada durante o dia. À noite, a ionização cessa, e conseqüentemente a atenuação.

A ionização

A ionização é devida série a-Lyman (Alpha-Lyman) da radiação do hidrogênio, (Lyman series-alpha hydrogen radiation), num comprimento de onda de 121.5 nanômetros (nm) que ioniza o óxido nítrico. A radiação absorvida é capaz de desalojar um elétron de um átomo de gás neutro ou molécula durante uma colisão. Na ionosfera, existem ânions, cátions e elétrons livres, a ionização depende principalmente do Sol, que no ciclo ativo, com mais de 50 manchas solares, os Raios-X ''duros'', (comprimento de onda < 1 nm), ionizam o ar, (N2, O2). O processo de ionização inicia ao nascer do Sol, durante o dia aumenta a quantidade de íons. Também ocorre a união entre os elétrons livres e as moléculas neutras, formando assim íons negativos. Nota-se na parte inferior da camada D, abaixo dos 70 Km, que a ionização é produzida principalmente pelos raios cósmicos energéticos que ocorrem durante todo o dia. Ao anoitecer o processo se inverte, ocorrendo assim uma oscilação ionização/recombinação dia/noite respectivamente, ou seja, durante o dia existe uma maior ionização, e durante a noite uma maior recombinação.

A recombinação

Como a densidade dos gases aumenta nas menores altitudes, o processo de recombinação das moléculas na camada D ocorre mais facilmente, pois, os átomos estão mais próximos do que nas altas altitudes, e as ligações iônicas são desta forma mais comuns. O ponto de equilíbrio entre os dois processos, determina o grau de ionização do meio em determinado momento. Se um elétron livre se desloca aleatoriamente próximo a um íon positivo, ou cátion, que também está se deslocando, existe grande possibilidade de ambos se atraírem, portanto, se recombinarem. Ao diminuir a energia provinda do Sol, isto é, ao anoitecer, os elétrons são ''atraídos'' pelos íons positivos, formando moléculas neutras, uma vez que não existe o ''agente energizador'' (O Sol). Devida densidade atmosférica mais alta na altitude da camada D, a recombinação é mais alta que nas outras regiões, ou camadas, assim, o efeito de ionização é muito baixo, e como resultado, as ondas de rádio de altas-freqüências (HF) não são refletidas. Os elétrons livres gerados pelos raios cósmicos tendem a se colidir e se unir a moléculas para formar íons negativos à noite, sendo desprendidos pela radiação solar durante o dia. A freqüência de colisão entre elétrons e outras partículas na região D durante o dia, é aproximadamente 10 milhões de colisões por segundo. Esta camada é a principal responsável pela absorção em HF, particularmente abaixo de 10 MHz, com um aumento menor da absorção quanto maior a freqüência. A absorção à noite é pequena e maior quando o Sol está a pino. A camada D é bastante reduzida após o pôr-do-sol, mas ficam resquícios devidos raios cósmicos. Um exemplo comum do que ocorre na camada D, é o desaparecimento dos sinais a partir de uma certa distância em Ondas Médias.

Densidade eletro-iônica

Os elétrons também podem sair de um determinado volume por difusão ou se deslocar para longe sob as influências dos gradientes de temperatura, de pressão, das forças gravitacionais ou dos campos elétricos e magnéticos estabelecidos por ionizações próximas e seus movimentos. A densidade eletrônica em determinada altitude é dada pela equação de continuidade em termos do balanço entre os efeitos de produção e perda. De todas camadas iônicas, a camada D é a menos estudada, demonstra grande variabilidade e sua estrutura é fina. As prováveis reações químicas responsáveis por sua formação envolvem principalmente o óxido nítrico e outros constituintes da atmosfera, pouco se conhece ainda qual a influência do campo geomagnético na região. A densidade eletro-iônica na parte superior da camada D, é aparentemente encadeada com a camada E, pois existem variações sistemáticas latitudinais, temporais e de ciclos solares em absorção. São constatadas variações de absorção irregulares de forma aparentemente aleatória (Acredita-se que aí podem haver influências do geomagnetismo ou dos clarões solares, ou ambos). Nas latitudes médias são notadas altas absorções anomalamente em certos dias durante o inverno. Provavelmente estas anomalias estão relacionadas ao aquecimento da estratosfera e provavelmente está associada às modificações na composição química devida relativa baixa altitude da camada D.

Absorção

Porém sabe-se que a D é a principal responsável pela absorção da RF devidas colisões de elétrons na altitude onde esta ocorre. A ionização na camada D inferior assim como a da sua parte superior, é muito maior durante o dia do que à noite. No entanto, a densidade eletrônica na camada D inferior, estando relacionada à incidência de raios cósmicos, é reduzida com o aumento no número de manchas solares. Existe uma ionização adicional da camada D, presume-se, que é produzida nas altas latitudes pelas partículas que chegam , dirigidas ao longo das linhas de força do campo geomagnético. Os elétrons energéticos, com grande probabilidade de serem provindos do Sol, produzem os eventos de absorção auroral característica sobre uma faixa estreita em latitudes de cerca de 10°, estes associados às regiões aurorais visuais.