02 CAMADA F3 DA IONOSFERA

A IONOSFERA

INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO - IAE - CAMPO DE PESQUISAS GEOFíSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHO - CONVÊNIO 2002-2012

PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD, PROFESSOR ONEIDE JOSÉ PEREIRA

© Py5aal A atmosfera é composta por gases e poeira que retidos pela gravidade atua com diferentes intensidades em diferentes altitudes, devida a "compressão", formando assim regiões dispostas em camadas sobrepostas com comportamentos distintos ao longo do tempo. A conexão Terra-Sol, tem uma interação estreita e complexa. No caso das alterações e fenômenos das camadas ionosféricas e seus efeitos, o nascer do Sol e o tempo que se segue são de fundamental importância no entendimento de toda a dinâmica ionosférica. Conforme a ''profundidade'' varia em intensidade, a concentração e distribuição dos gases geram correntes horizontais e verticais, pelo aquecimento, forças diversas combinadas entre si. Uma vez que a atmosfera é dividida em camadas, estas podem ser definidas pela temperatura, distribuição dos seus constituintes, etc. Em termos de temperatura, podem ser definida em quatro camadas. A mais próxima à superfície, é a troposfera, vai até 15 km. Entre 15 km e 50 km está a estratosfera, nesta a temperatura aumenta com a altura. Acima vem a mesosfera, entre 50 km e 80 km, cuja temperatura decresce com a altura. No topo a termosfera, nesta a temperatura cresce com a altura até atingir um pico, ou temperatura exosférica. A radiação solar absorvida pelos constituintes atmosféricos, assim, sua intensidade diminui gradativamente à medida que se aproxima do solo. Tendo-se em conta a ''espessura'' da atmosfera em relação ao raio da Terra (cerca de 6000 km), o efeito cromático é produzido pela dispersão da luz solar sobre os gases atmosféricos.

Composição Atmosfera da Terra (Fonte: http://sites.google.com/site/camadaf3/)

A composição da atmosfera, quando seca e abaixo de 25 km é:

Nitrogênio (N2) 78,08 %, este atua como suporte dos demais componentes, de vital importância para os seres vivos, fixado no solo pela ação de bactérias e outros microrganismos, é absorvido pelas plantas, na forma de proteínas vegetais;

Oxigênio (O2) 20,94 % do volume da atmosfera, sua estrutura molecular varia conforme a altitude em relação ao solo, é responsável pelos processos respiratórios dos seres vivos;

Argônio 0,93 %;

Dióxido de carbono (CO2) (variável) 0,035 %;

Hélio (He) 0,0018 %;

Ozônio (O3) 0,00006 %;

Hidrogênio (H2) 0,00005 %;

Criptônio(BR) indícios;

Metano (CH4) indícios;

Xenônio(Xe) Indícios;

Radônio(Rn) indícios.

© Py5aal A atividade solar causa diversas alterações atmosféricas como a variabilidade climática, tempestades, variações ionosféricas, geomagnéticas, além da modulação dos raios cósmicos entre outros efeitos. A distribuição das regiões varia conforme posição geográfica e hora local. Entre duas camadas existem as chamadas pausas (tropopausa, estratopausa, mesopausa), cujo gradiente de temperatura é nulo. A formação da ionosfera ocorre no topo das camadas atmosféricas, formando regiões segundo sua composição iônica. A ionização ocorre pela ação de fontes ionizantes solares e cósmicas, existe assim a ionização primária, provém da radiação solar energética na faixa do extremo ultra violeta (EUV) e raios X. Os prótons e partículas alfa, geram a ionização secundária que é determinada principalmente na ionosfera noturna. Os efeitos do Sol na alta atmosfera podem ser considerados como resultantes “in situ” dos dados necessários para a elaboração das teorias que corroborem o entendimento dos processos, fenômenos e suas causas na alta atmosfera, bem como ao nível do solo. Acima de 60 km, na termosfera, acontece a interação com a radiação solar e raios cósmicos ionizantes que geram o plasma ionosférico, neste existe alta densidade de elétrons, íons positivos e negativos. Assim, a propagação de ondas de rádio é determinada por aquela região que pode atuar como um guia de onda com a superfície terrestre, refletindo sucessivamente os sinais. Raios X e EUV, são fótons altamente energéticos, capazes de remover elétrons externos dos átomos e moléculas neutras dos gases atmosféricos, transferem energia para um de seus elétrons que se torna um “fotoelétron” suficientemente energético para se separar, gerando íons positivos. Devidas sucessivas colisões com íons, moléculas neutras e outros elétrons, o fotoelétron perde energia, entrando assim em equilíbrio térmico e contribuindo para o aquecimento do plasma ionosférico, assim a influência do Sol nos fenômenos de ionização varia, pois esta depende da estação do ano, do ciclo solar, do horário e outros fatores. A observação solar em todos os comprimentos de onda pode ser considerada de fundamental importância e é o primeiro passo em direção ao Espaço.

Ionograma

(Fonte: http://br.geocities.com/troposfera_e_ionosfera_py5aal/index.angeloleithold htm)

© Py5aal O processo de fotoionização atinge o pico ao meio-dia local, a redução da ionização na região acima de 75 km resulta no processo chamado recombinação iônica, onde íons formam novamente átomos neutros. Na região inferior da ionosfera, o processo de perda eletrônica é dominante, partículas neutras se juntam a elétrons e formam íons negativos. Este é o motivo da maior concentração de íons negativos na base da ionosfera. Após o anoitecer, o plasma torna-se fracamente ionizado, os processos de perda iônica não eliminam totalmente a ionização secundária, contribuindo assim para a manutenção noturna da ionosfera e no processo de recombinação iônica os íons formam novamente átomos neutros. Na região inferior da ionosfera, o processo de perda eletrônica é dominante. Na altitude de 60 km, a ionização é produzida por raios cósmicos, que são mais penetrantes. Em altitudes maiores, íons moleculares tendem a desaparecer havendo assim predominância dos íons atômicos, a perda eletrônica depende linearmente da concentração de elétrons. Em regiões inferiores, a perda eletrônica é predominantemente quadrática. A transição entre ambas se dá na altitude de 180 até 200 km. O pico da densidade eletrônica é na altitude aproximada de 300. A camada F1 caracteriza-se por um pequeno pico, ou inflexão, na curva de densidade eletrônica em torno de 180 km. É nessa região que ocorre a transição entre os processos de perda iônica quadrática e linear. Na altitude de 60 km, a ionização é produzida por raios cósmicos, que são mais penetrantes. Em altitudes maiores, íons moleculares tendem a desaparecer havendo assim predominância dos íons atômicos, a perda eletrônica depende linearmente da concentração de elétrons. Em regiões inferiores, a perda eletrônica é predominantemente quadrática. A transição entre ambas se dá na altitude de 180 até 200 km. O pico da densidade eletrônica é na altitude aproximada de 300 km. A camada F1 caracteriza-se por um pequeno pico, ou inflexão, na curva de densidade eletrônica em torno de 180 km. É nessa região que ocorre a transição entre os processos de perda iônica quadrática e linear. O campo elétrico leste-oeste, juntamente ao campo magnético norte-sul, à medida em que a Terra gira, e o lado diurno se aproxima, eleva o pico de ionização em altitude em todo o planeta.

Ionograma (Fonte: http://sites.google.com/site/camadaf3/)

© Py5aal Ao nascer do Sol, ficam propiciadas as condições para o surgimento das camadas iônicas, F1, F2, e de uma fraca região iônica chamada G. O campo elétrico leste-oeste, juntamente ao campo magnético norte-sul e o lado diurno se aproxima eleva o pico de ionização, o plasma ionosférico energizado pela radiação solar causa uma elevação em altitude da camada F2 que não perde as suas características, seu pico de ionização pode exceder em densidade de concentração máxima durante determinado tempo. A inclinação magnética, a atividade solar e a sazonalidade, nos solstícios de dezembro e junho, dependendo do hemisfério norte ou sul, além da força eletromagnética, os ventos termosféricos e o campo magnético norte-sul, todos associados ao campo elétrico leste-oeste diurno, empurram o plasma ionosférico para cima na região do equador. Favorecendo a ''subida'' de F2 e a formação de uma nova camada ionizada entre a F2 que se elevou e F1, fenômeno este ocorre mais freqüentemente em períodos de baixa atividade solar.

© Py5aal A camada F2 ao subir (Camada G) mantém as características originais, os processos físico químicos da camada F permanecem. Assim a camada que subiu não pode ser denominada como camada G mas como camada F3 e a que se formou logo abaixo, F2. A camada F3 pode ser dividida em dois tipos, dependendo da época, ou seja, tipo 1, mais comum nos meses de verão, e do tipo 2 nos meses de inverno. A esta dinâmica de formação de F3 se dá o nome de Anomalia Equatorial. A camada adicional, depois de sua ocorrência, continua a existir por mais de 10 horas próximo ao equador.

Fonte: I.S. Batista et al. / Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 64 (2002) 1409 – 1412

© Py5aal O pico da camada F2 localiza-se aproximadamente entre 250 até 300 km. Esta é dominada por processos dinâmicos com interação entre os ventos termosféricos e a ionosfera superior. Existe grande predominância da atuação do campo magnético que influencia na distribuição de ionização. Desta forma, no topo de F2, o plasma se encontra em equilíbrio difusivo. Até 500 km de altura, o oxigênio atômico O+ é predominante, a distribuição da densidade eletrônica se dá também através da difusão, e outros processos de transporte, além da ionização e da recombinação. As forças colisionais, gravitacionais, forças elétricas e magnéticas representam os principais processos de transportes energéticos na Ionosfera. Os agentes que deslocam íons e elétrons são os campos elétricos, ventos neutros e difusão. Os campos elétricos, na alta ionosfera, movimentam íons e elétrons como um todo, à velocidade de deriva do plasma. O resultado desse movimento depende da freqüência de colisão e do campo magnético, estes determinam a condutividade e a mobilidade do plasma ionosférico. Na alta ionosfera é predominante a ação de ventos termosféricos induzidos pelo aquecimento diurno e esfriamento da atmosfera noturna, cuja mudança térmica afeta as partículas carregadas e o vento neutro. Assim, o plasma expande e contrai conforme o gradiente térmico da atmosfera. Os gradientes horizontais de pressão são resultado da expansão térmica da atmosfera terrestre durante o dia, os ventos termosféricos, circulam na ionosfera e interagem com o plasma podendo transportá-la para cima durante a noite. Sua velocidade é reduzida no lado diurno pelo arrasto iônico. Este resulta da interação entre as partículas carregadas e as partículas neutras. O processo de transporte ocorre na direção da componente do vento neutro ao longo das linhas de campo magnético, produz o transporte da ionização de um hemisfério para outro. A ionização assim, é deslocada para cima no hemisfério noturno, onde o vento é dirigido para o equador, e para baixo no hemisfério diurno, em que o vento é dirigido para os pólos. A camada F está entre 150 e 1000 km de altitude, durante o dia se dispõe em duas camadas F1 e F2, em baixas latitudes, move-se para cima devida deriva ExB decorrente do campo elétrico leste-oeste induzido pelo dínamo da região E, na presença do campo magnético. Perto do Equador, as linhas de campo magnético encontram-se fechadas impedindo que o plasma escape para o espaço facilmente, que se difunde ao longo das linhas de campo e afeta a distribuição latitudinal da ionização. Assim, na região do Equador, observa-se que a maior densidade eletrônica não se encontra sobre o equador, mas a cerca de aproximadamente 170° de latitude, formando assim, um pico ao norte e outro ao sul do equador magnético.

© Py5aal O campo elétrico diurno se dirige para o leste, o campo magnético norte-sul é praticamente paralelo à superfície terrestre na região equatorial. Assim, produz uma deriva vertical acaba por forçar o plasma para cima que se difunde para baixo ao longo das linhas de campo devida gravidade e gradientes de pressão. Após o amanhecer, como avançar da hora, a camada F2 aumenta sua densidade, há grande produção iônica e os efeitos dinâmicos presentes na região fazem aumentar a altitude do pico da camada rapidamente, pois esta é dominada pelo efeito de deriva ascendente ExB. Este causa a concentração da densidade eletrônica na latitude de ±17°. Forma-se assim a chamada Anomalia Equatorial. O vento neutro e a deriva ExB geram a formação de uma camada adicional em latitudes equatoriais numa altitude de 500 km e 700 km, chamada camada F3. O pico de ionização da camada F2 se desloca para maiores altitudes pelos efeitos dinâmicos. Ao mesmo tempo, outro pico se forma na altura original da camada F2, e o pico que se desloca para cima forma a camada F3. Quando a ionosfera ganha energia suficiente, o pico de densidade eletrônica de F3 decresce devidos efeitos químicos e dinâmicos. Os efeitos de aparecimento e desaparecimento da camada adicional podem ser percebidos pelo tempo de resposta entre a transmissão e recepção de sinais de rádio, que têm incrementada a reflexão e alcance à medida em que a camada sobe.

(c) Ângelo Antônio Leithold

Balan, N.; Bailey, G.J.; Abdu, M. A.; Oyama, K. I.; Richards, P. G.; MacDougall, J.; Batista, I. S. Equatorial plasma fountain and its effects over three location: evidence for additional layer, the F3 layer. J. Geophys. Res., v. 102, n. A2, p. 2047-2056, 1997.

Batista, I. S.; Abdu, M. A.; MacDougall, J.; Souza, J. R. Long term trends in the frequency of occurrence of the F3 layer over Fortaleza, Brazil. J Atmos.Terr. Phys., v. 64, n.12, p. 1409-1412, 2002.

ionosfera.camada.f3@gmail.com

Atmosfera terrestre (fonte http://sites.google.com/site/camadaf3/ )

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