RESSONÂNCIA DE SCHUMANN

INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO - IAE

CONVÊNIO 2002-2012

PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD, PROFESSOR ONEIDE JOSÉ PEREIRA

Original em 1998 no endereço: http://www.geocities.ws/ressonanciadeschumann _py5aal/

(c)py5aal A “ressonância de Schumann” é uma série de picos eletromagnéticos que são captados por receptores de baixa frequência, ou de frequências extremamente baixas (ELF), cujos comprimentos de onda estão entre 100 000 quilômetros e 10000 quilômetros, ou entre 3 Hz até 30 Hz.

(c)py5aal Os picos são causados pela excitação gerada a partir de descargas elétricas (Relâmpagos, raios, etc) entre a superfície da Terra e a ionosfera em interação com o campo magnético da Terra.

(c)py5aal Esta interação ocorre porque a temperatura no interior do planeta é em torno de 5.270 K. Isto ocorre porque o calor da formação da Terra ainda está em seu interior e há o decaimento de elementos radioativos como urânio, tório e potássio, que também geram energia térmica. A ocorrência de materiais mais densos é em maiores profundidades, e estes se encontram em forma líquida ou pastosa devida ação gravitacional, sendo que os menos densos se encontram próximos à superfície. Oitenta por cento da massa interior é formada por ferro e níquel.

(c)py5aal O manto terrestre é sólido, a matéria liquefeita, "magma", próxima à superfície é ejetada a partir de fissuras do manto. Nas profundezas há uma camada sólida de ferro e níquel com raio de aproximadamente 1.250 km, sendo envolvido por um núcleo também de ferro líquido e níquel líquido. Assim, a matéria interior é sólida, e os elementos líquidos metálicos têm movimentos de convecção, que, associados ao movimento de rotação, geram o campo magnético por um processo chamado "teoria do dínamo". Assim, são geradas correntes elétricas no interior que propiciam a formação do campo magnético. Sabe-se porém, que o núcleo sólido possui altas temperaturas que não permitiriam a formação de um campo magnético elevado, porém, este faria estabilizar o campo eletromagnético gerado pelo núcleo líquido. Entre o manto e o núcleo existem zonas intermediárias de separação, nominadas "descontinuidades", a descontinuidade de Mohorovicic é a mais conhecida. As variações dos movimentos internos, associadas às variações elétricas da eletrosfera na parte exterior do planeta, juntamente com o circuito ressonante formado pela interação Ionosfera-Manto Ígneo, causam o fenômeno eletromagnético chamado de Ressonância de Schumann. Este foi descoberto através de modelos matemáticos desenvolvidos pelo físico Winfried Otto Schumann em 1952.

(c)py5aal O circuito ressonante principal fica no espaço entre a superfície da Terra e a ionosfera. A Ionosfera é condutiva e atua como um guia de ondas, cujas dimensões são delimitadas. Tal efeito forma uma cavidade ressonante para ondas eletromagnéticas em frequências extremamente baixas que é excitada naturalmente pela energia desprendida através da propagação dos relâmpagos e raios. Estes, por sua vez, são excitados pelos movimentos intrínsecos do Planeta e ocorrem assim, linhas no espectro eletromagnético nas frequências em torno de 8, 14, 20, 26 e 32 hertz.

(c)py5aal As ondas fundamentais da Ressonância de Schumann se propagam em linha reta dentro da cavidade formada entre a Terra e a ionosfera, cuja dimensão é a circunferência do planeta. A intensidade mais elevada ocorre em 7.8 hertz, variando conforme a modulação gerada pelos movimentos internos da massa líquida. O nono harmônico encontra-se em torno de 60 hertz. Os harmônicos detectáveis se estendem para frequências mais altas, chegando inclusive a atingir até alguns quilohertz. O fenômeno pode ser usado para o mapeamento da atividade global de eletricidade atmosférica. Devida conexão entre descargas elétricas e o clima da terra, pode também ser utilizado para monitorar as variações globais da temperatura e do vapor na alta atmosfera, além de sua utilização na pesquisa e monitoração da ionosfera em suas camadas inferiores para observar distúrbios geomagnéticos. Mais recentemente estão sendo monitorados eventos luminosos como transientes, sprits, duendes, jatos, e outros tipos de descargas na atmosfera superior. Devida a interação entre o Manto-Ionosfera é possível a pesquisa de terremotos, embora estudos ainda se mostrem inconclusivos.

(c)py5aal Sabe-se que a primeira sugestão da ionosfera ser capaz de propagar ondas eletromagnéticas foi feita por Heaviside e por Kennelly em 1902, vinte anos antes de Edward Appleton e Barnett em 1925 provarem experimentalmente a existência daquela importante região da atmosfera. As primeiras observações documentadas de ressonâncias eletromagnéticas globais foram feitas por Nikola Tesla em 1905 e deram forma à base para a transmissão de radiofrequência. As ferramentas matemáticas que tratam das guias de ondas esféricas foram desenvolvidas por Watson em 1918. Winfried Otto Schumann e Köning estudaram os aspectos teóricos das ressonâncias globais do sistema da terra ionosfera entre 1952-1954. Balser e Wagner entre 1960-1963 trouxeram as técnicas adequadas da análise para extrair informação do ruído de fundo.

(c)py5aal As descargas atmosféricas podem ser consideradas como a fonte natural preliminar do fenômeno de ressonância de Schumann. Os “canais” formados pelos relâmpagos comportam-se como uma espécie de antena que irradia energia eletromagnética em frequências de aproximadamente 100 quilohertz devido comprimento elétrico dos arcos voltaicos. Os sinais são muito fracos, mas a guia de onda Terra-Ionosfera se comporta como um ressonador de baixa freqüência que os amplifica. Numa cavidade ideal, esta é determinada pelo raio da terra e pela velocidade da luz. Mas a guia real formada não é uma cavidade eletromagnética perfeita. As perdas devida condutividade elétrica do meio ionosférico finito, fazem o sistema ressonar em frequências mais baixas do que se poderia esperar num caso ideal, assim, os picos observados são bastante largos. Também há um número de assimetrias horizontais na transição dia/noite. As mudanças latitudinais do campo magnético da Terra, os distúrbios ionosféricos repentinos, a absorção polar, etc. também alteram e diversificam a conformação do espectro da energia irradiada.

(c)py5aal Atualmente o fenômeno e seus efeitos são monitorados por muitas estações da Terra. Os sensores eletromagnéticos usados consistem em duas antenas horizontais para receber o campo magnético no sentido norte-sul e leste-oeste e uma antena vertical para observar o campo elétrico vertical. Uma vez que as frequências são extremamente baixas, as antenas práticas teriam que ser de centenas ou de milhares de quilômetros. O campo elétrico da ressonância de Schumann é muito menor que o campo elétrico da Terra, e o campo magnético segue o mesmo princípio, ou seja, também é menor que campo magnético do Planeta. isso propicia uma certa dificuldade de medição e observação, e conseqüentemente receptores e antenas especiais são necessários para medi-las.

(c)py5aal O componente elétrico é medido geralmente com uma antena esférica, conforme sugerido por Ogawa et al em 1966, esta é conectada a um amplificador de alta impedância. O campo magnético é medido com bobinas de indução magnética que consistem em dezenas de milhares de espiras em torno de material com permeabilidade magnética muito elevada.

(c)py5aal A ressonância de Schumann inicialmente foi utilizada para monitorar a atividade global de descargas elétricas seguindo mudanças em intensidades de campo, pois ocorrem aproximadamente 2.000 tempestades em torno do globo por hora, produzindo cerca de 50 descargas por segundo, assim, as tempestades criam sinais de fundo. Determinar a distribuição espacial de descargas é um problema complexo. Para estimar corretamente a intensidade é necessário determinar a distância das descargas fonte. Há a possibilidade de fazer uma suposição preliminar na sua distribuição espacial, tomando por base as propriedades da climatologia da região de onde provém o ruído de fundo. Uma aproximação razoável, é determinar o posicionamento de uma antena receptora na orientação norte ou sul, assim é possível descobrir a orientação dos centros principais do das tempestades durante o dia. Outro método de determinação da distribuição de descargas, é baseado na decomposição dos espectros médios da ressonância de Schumann de fundo, utilizando relações entre os espectros elétricos e magnéticos médios e as combinações lineares. As características melhor documentadas e as mais debatidas do fenômeno são as variações diurnas do ruído de fundo, cujo registro característico reflete as propriedades conhecidas da atividade global das descargas atmosféricas. O campo elétrico vertical, que é igualmente sensível em todos os sentidos, e, mede conseqüentemente o nível global, mostra três máximos dominantes, associados com três “pontos quentes” da atividade planetária.

(c)py5aal Geralmente, o pico africano é mais forte, refletindo na contribuição principal do “canal africano” à atividade. Os outros picos, o Asiático e o Americano seguem provavelmente o mesmo padrão. Dados experimentais da ressonância de Schumann mostram uma contribuição maior da região Asiática em relação da atividade na América do Sul. Isto contradiz muitas vezes o observado através de satélites ópticos e dados climatológicos de descargas atmosféricas que mostram o centro de tempestades da América do Sul mais forte do que do centro Asiático, a razão desta anomalia ainda é desconhecida, porém, é suposto que é causada pelas variações de correntes internas do Planeta. Williams e Satori sugerem que a diferença de parâmetros entre a Ásia e América do Sul, para ser entendida, precisaria ter removida a influência das variações do dia/noite no condutividade ionosférica (influência da assimetria dia-noite) dos registros da ressonância de Schumann. Tais correções poderiam acertar os registros apresentados no trabalho de Satori et al. Mesmo depois da remoção da influência da assimetria dia-noite dos registros, verificou-se que a contribuição Asiática permanece maior do que a Americana. Os resultados similares foram obtidos por Pechony et al que calcularam os campos a partir de dados de satélites específicos para leitura e monitoramento de descargas. Ambas simulações e exames da assimetria mostraram a mesma quantidade de ruído de fundo Ásia-América. A razão para “inverter” as estatísticas e medições entre a Ásia, América ainda são desconhecidas e necessitam de mais pesquisas no campo geomagnético.

(c)py5aal Na literatura especializada nota-se que há uma tendência de predomínio das variações noturnas sobre as variações diurnas observadas, esta foi explicada pelas variações da geometria da região fonte e da região de recepção. Concluiu-se que nenhuma variação sistemática particular da ionosfera serve como o limite superior da guia de ondas, isso é devida a “corrugação superficial” da região, que não é absolutamente uniforme. Estudos teóricos supõe que as estimativas da influência da assimetria dia-noite da ionosfera entre a diferença entre o lado diurno e a condutividade ionosférica do lado noturno, influem nas variações observadas nas intensidades de campo da ressonância de Schumann.

(c)py5aal O interesse na influência da assimetria dia-noite na condutividade ionosférica, ganhou força nos anos 1990, após a publicação de um trabalho por Sentman e Fraser. Estes desenvolveram uma técnica para separar as contribuições globais e locais às variações observadas nas intensidades de campos, usando os registros obtidos simultaneamente em duas estações, assim mapearam a variação da altura da ionosfera. Seu trabalho convenceu muitos cientistas na importância da assimetria ionosférica dia-noite e inspirou estudos experimentais numerosos. De qualquer modo, recentemente mostrou-se que os resultados obtidos podem ser simulados com um modelo uniforme, e não podem conseqüentemente, ser interpretados nos termos da variação da altitude ionosférica.

(c)py5aal Os registros da amplitude de Schumann mostram variações diurnas e sazonais significativas, estas coincidem com os tempos de transição dia-noite. Esta suposição parece suportar a sugestão de uma influência significativa da assimetria da ionosfera na transição dia-noite em amplitudes da ressonância de Schumann. Há registros que mostram que alguns pulsos disparados têm a exatidão das mudanças diurnas de amplitude. Há dias em que as amplitudes não aumentam no nascer do Sol nem diminuem no pôr do sol. Há estudos que mostram que o comportamento geral de registros da amplitude podem ser resultantes da migração diurna e sazonal das tempestades, sem provocar variações ionosféricas, o que demonstra uma tendência de variações independentes.

(c)py5aal Dois estudos teóricos independentes recentes mostraram que as variações de campo da ressonância de Schumann relacionadas à transição da dia-noite, são muito menores do que aquelas associadas com os picos da atividade global de descargas atmosféricas, e conseqüentemente, a atividade de descargas elétricas global tem muita importância nas variações de campo, outros estudos são necessários o mapeamento dos campos elétrico e magnéticos locais da ressonância com a atividade solar. Também correlaciona-los à abertura e fechamento de propagação em HF.

(c)py5aal A importância relativa da assimetria dia-noite em registros de amplitude é ainda estudada e não existem análises conclusivas. A monitoração bem sucedida da atividade global de tempestades, através do monitoramento da ressonância de Schumann, pode ser obtida a partir da interpretação apropriada de dados experimentais. Conseqüentemente, é vital compreender para interpretar corretamente as suas características principais.

(c)py5aal Um dos problemas interessantes nos estudos da ressonância e fenômenos correlatos, está determinando as características das fontes das descargas atmosféricas. Verificar cada descarga individual é impossível, mas há eventos transientes de baixa freqüência suficientemente intensos, chamados surtos “Q”. Estes são provocados pelas descargas de relâmpagos, raios, etc, bastante intensos, associadas com a transferência grande carga e uma corrente elevada. O nível do sinal de fundo num fator de 10 aparece com intervalos de 10 segundos, que propicia a detecção da posição da descarga fonte. A posição desta é determinada com técnicas de triangulação. Estas são mais exatas, embora extremamente caras e trabalhosas.

(c)py5aal Acredita-se que muitos dos transientes das ressonâncias de Schumann estão relacionados aos eventos luminosos das descarga atmosféricas. Boccippio 1995 et all, sugeriu que os sprites são produzidos por descargas positivas nuvem-terra que ocorrem nas regiões estratiformes de um sistema de tempestades, e são acompanhados por surtos Q na faixa da ressonância. Observações recentes revelam que as ocorrências dos sprites e surtos estão correlacionadas, os dados podem possivelmente ser usados para estimar a taxa global da ocorrência dos sprites.

(c)py5aal A mudança global do clima, pode ser compreendida com o desenvolvimento de ferramentas e de técnicas que permitiriam a monitoração contínua, e a longo prazo dos processos de monitoração em todos os comprimentos de onda, desde as baixas frequências na ordem de alguns Hertz, até as altas frequências na ordem de MHz. As ressonâncias de Schumann são algumas das poucas ferramentas que podem fornecer tal informação global confiável e barata. Williams (1992) sugeriu que a temperatura global pode ser monitorada pela técnica de observação de ruído de fundo, pois está diretamente relacionada à taxa de flashs de relâmpagos, que aumenta não-linearmente com a temperatura. A relação relâmpago/temperatura fornece um sistema de observação natural das mudanças climáticas. Além disso, as partículas de gelo, que se acredita participarem nos processos de eletrificação da atmosfera, resultam em descargas elétricas e têm um papel importante nos efeitos radiativos que influenciam a temperatura da atmosfera. O monitoramento das ressonâncias de Schumann, pode conseqüentemente ajudar a compreender estes efeitos.

(c)py5aal O vapor d’água troposférico é um elemento chave do clima da terra, que tem efeitos diretos como um gás de estufa, o efeito indireto com a interação com nuvens, aerossóis e a química atmosférica tropoférica. O vapor de água da atmosfera superior tem um impacto muito maior no efeito da estufa do que o vapor de água na atmosfera mais baixa, mas se este impacto é positivo, ou negativo ainda não se tem dados conclusivos. O desafio principal das pesquisas de monitoramento das ressonâncias de Schumann, é a dificuldade em adquirir dados que mostrem o excesso de vapor global na alta atmosfera por muito tempo. As tempestades e o ruído de fundo continentais produzem a maioria das descargas elétricas na terra. Transportam uma grande quantidade vapor de água para a troposfera superior. As mudanças no vapor da alta atmosfera podem ser derivadas dos registros do ruído de fundo, nas mais diversas frequências. Se os valores de umidade em altas altitudes, e o aumento de condutividade ionosférica, devida presença de elétrons livres se alterarem na presença de uma camada de elevada condutividade, os gases na alta atmosfera sofrem interações provindas do Cosmo, do Sol, ou deles mesmos. A escala de energia eletromagnética aumenta em função da excitação produzida pelas descargas elétricas.

(c)py5aal Júpiter é o único planeta onde a atividade de descargas elétricas é perfeitamente detectável. A existência de tempestades naquele planeta foi predita por Nun (1975) complementada pelos dados das naves Galileo, Voyagers 1 e 2, Pioner 10 e 11 e Cassini. De Saturno espera-se também uma atividade intensa de descargas elétricas, porém três naves espaciais, Pioner 11 em 1979, Voyager 1 em 1980 e Voyager 2 em 1981, não forneceram nenhuma evidência convincente. Mesmo uma tempestade forte monitorada em Saturno pela nave espacial de Cassini não produziu nenhum flash visível de relâmpagos. Pouco se sabe sobre os parâmetros elétricos do interior de Júpiter e de Saturno. Acredita-se que não haja a formação do fenômeno da guia de onda pelo fato dos planetas serem gasosos, contudo este raciocínio pode não ser correto, pelo fato de que pode haver a formação de dutificação entre diferentes camadas ionosféricas à exemplo da Terra.

REFERÊNCIAS

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O trabalho RESSONÂNCIA DE SCHUMANN de Professor Angelo Antonio Leithold (1998) está licenciado com uma Licença Creative Commons - Atribuição-NãoComercial-SemDerivações 4.0 Internacional.

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