A TÉCNICA DE RÁDIO OCULTAÇÃO DE GPS NO ESTUDO DA ATIVIDADE DE ONDAS DE GRAVIDADE NA ESTRATOSFERA

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1 A TÉCNICA DE RÁDIO OCULTAÇÃO DE GPS NO ESTUDO DA ATIVIDADE DE ONDAS DE GRAVIDADE NA ESTRATOSFERA Cristiano Max Wrasse 1, Hisao Takahashi, Joaquim Fechine 3 4 Jens Wicker, 5 Clezio M. Denardini 135 Instituto Nacional de Pesquisas Esaciais (INPE) / Divisão de Aeronomia, São José dos Camos, Brasil, CEP cmw@laser.ine.br; hisaotak@laser.ine.br; 3 joaquim@laser.ine.br; 5 denardin@dae.ine.br 4 GeoForschungsZentrum (GFZ), Det. Geodesy and Remote Sensing, Telegrafenberg D Potsdam - Alemanha 4 jens.wickert@gfz-otsdam.de Resumo- O Sistema de Posicionamento Global (GPS) começou a ser exlorado através da técnica de rádio ocultação de sinal de GPS, a fim de se obter erfis de temeratura, índice de refração, ressão e vaor d água na atmosfera neutra, região abaixo de 35 km de altura Neste contexto os erfis de temeratura obtidos através desta técnica utilizando o satélite CHAMP foram emregados ara determinar a atividade de ondas de gravidade na estratosfera sobre a América do Sul. O resente trabalho aresenta a teoria sobre a densidade de energia das ondas de gravidade, a metodologia de cálculo da energia otencial associada às ondas de gravidade, bem como os resultados da atividade de ondas de gravidade obtidos a artir dos dados do satélite CHAMP sobre a América do Sul Palavras-chave: Ondas de Gravidade, Rádio Ocultação, GPS, Estratosfera, Temeratura Área do Conhecimento: Ciências Exatas e da Terra Introdução Sabe-se que as ondas de gravidade exercem a maior influência em larga escala na circulação e na estrutura da atmosfera. As ondas de gravidade são consideradas as resonsáveis or muitas das variações esaciais (da ordem de alguns quilômetros a dezenas de quilômetros) e temorais (de ~5 min à várias horas) em muitas das variáveis atmosféricas acima da trooausa. As fontes de geração destas ondas de gravidade incluem fenômenos meteorológicos como as frentes frias, os sistemas convectivos, vento sorando sobre montanhas entre outros. A maioria destas fontes de geração encontra-se na troosfera (FRITTS e NASTROM, 199). Nos tróicos, a geração das ondas de gravidade está associada à convecção, gerando grandes nuvens do tio cumulus nimbus. As ondas de gravidade também são resonsáveis elo transorte de energia e momentum entre a baixa e a média atmosfera sendo uma das resonsáveis elo acolamento dinâmico entre as camadas da atmosfera. Durante as ultimas décadas, radares de VHF (Very High Frequency), de Laser, entre outros instrumentos, tem sido utilizados ara caracterizar as ondas de gravidade. Aesar destes instrumentos aresentam boa resolução temoral e esacial a rede destes equiamentos de solo encontram-se muito disersa ara se ter uma cobertura global. Desta forma, observações realizadas or satélites são caazes de roduzir uma grande cobertura global (WU e WATERS, 1996), orém não aresentam uma boa resolução esacial. Entretanto, estas medidas odem fornecer uma quantitativa distribuição da atividade das ondas de gravidade. Recentemente, Tsuda et all. () utilizou dados do satélite GPS-MET ara realizar uma análise global da atividade de ondas de gravidade na estratosfera. Assim, no resente trabalho serão aresentados, a teoria, a metodologia e alguns resultados da atividade de onda de gravidade obtidos a artir dos dados do satélite CHAMP sobre a América Latina. Teoria do Calculo da Densidade de Energia das Ondas de Gravidade Flutuações de mesoescala observadas na velocidade do vento e na temeratura aarecem como uma suerosição de varias ondas de gravidade com diferentes escalas esacial e temoral. Desta forma, o comortamento das ondas de gravidade é muitas vezes melhor interretado em termos do esectro como uma função da freqüência da onda w e dos números de onda vertical e horizontal m e k. VanZandt (198) investigou o esectro das ondas de gravidade observadas na troosfera e na media atmosfera e encontrou uma universalidade do esectro em relação as estações do ano, altitude e condições geográficas. Em articular, a freqüência e o numero de onda horizontal do esectro das 93

2 5/3 ω k 5/3, ondas de gravidade variam, e resectivamente. Utilizando erfis da velocidade do vento e da temeratura observados or radares e or radiossondas Fritts e VanZandt (1993) descrevem a energia do esectro ara as erturbações na velocidade do vento e na temeratura causadas elas ondas de gravidade, como um roduto de funções searadas em ω, m e φ dada ela seguinte exressão: Com, E( μ, ωφ, ) E A( μ) B( ω) Φ ( φ) (1) s A μ A( μ) s 1 (1 + μ + ) B( ω) ω () B (3) Onde, μ m/ m* e m π / λz. λ z e m * são resectivamente, o comrimento de onda vertical e o número de onda característico e f é o angulo azimutal indicando a direção de roagação da onda. O arâmetro E reresenta a energia total das ondas de gravidade or unidade de massa, enquanto A e B são os arâmetros normalizados ara o número de onda vertical e ara o esectro de freqüência, A( μ ) e B( ω ). A função Φ ( φ) reresenta a anisotroia na direção de roagação das ondas de gravidade. A densidade de energia E, que ode ser utilizada ara medir a atividade de ondas de gravidade, é definida or (Allen and Vincent, 1995; Tsuda et al., ): E E E u v w N T 1 g T' k + ' + ' + ' + (4) Onde E e k E reresentam as energias cinética e otencial or unidade de massa, resectivamente. Estas energias odem ser reescritas da seguinte forma: N g dt g + T dz C u ' v' (7) Os termos, e ' reresentam as comonentes erturbadas da velocidade do vento, nas direções zonal, meridional e vertical, resectivamente; e a aceleração devido a gravidade; e T ' são as comonentes media e erturbada da temeratura; C é o calor esecifico à ressão constante do ar seco. De acordo com a teoria linear das ondas e gravidade, a razão entre a energia cinética e otencial torna-se constante, ortanto é ossível estimar E aenas a artir das observações da temeratura (TSUDA et al., ). Desta forma, o calculo da energia otencial deende rincialmente da estimativa da flutuação da temeratura causada elas ondas de gravidade. w g N e a freqüência de Brunt-Väisälä; T Metodologia ara Determinar a Atividade de Ondas de Gravidade Para o calculo da energia otencial,, é necessário conhecer, além do erfil de temeratura, o erfil da flutuação da temeratura, a variância da flutuação e a freqüência de Brunt- Väisälä. O erfil da temeratura atmosférica, T( z), ode ser considerado como sendo formado ela temeratura básica, T() z,e ela comonente da flutuação, T'( z). A flutuação da temeratura é então obtida alicando-se um filtro assa-alta com uma freqüência de corte de 1 km. Procedimentos semelhantes foram realizados nas analises de erfis dos arâmetros atmosféricos obtidos or foguetes (e.g ECKERMANN et al., 1994). A freqüência de Brunt-Väisälä ao quadrado, N, também ode ser determinada através da diferenciação do erfil de temeratura em ralação a três alturas adjacentes. A variância da flutuação da temeratura, é determinada através da seguinte relação: E T' ( z ), 1 Ek u' + v' + w' (5) max 1 z T' ( z) T' d max min min z z z (8) z E 1 g T' (6) N T Onde, z max e z min reresentam o too e a base da região onde é realizado o calculo a energia otencial. 94

3 A Figura 1-A aresenta um exemlo de um erfil de temeratura obtido elo satélite GPS-CHAMP na região nordeste do Brasil (4,6 o S, 34,36 o O) no dia 17/8/4 em torno das 13:6 UT. Note que o erfil de temeratura foi filtrado com um filtro assa-baixa ara a remoção do ruído. Na Figura 1-B é aresentada a flutuação da temeratura determinada através da filtragem do erfil de temeratura com um filtro-assa alta (com uma freqüência de corte de 1 km). A Figura 1-C aresenta o erfil da freqüência de Brunt- Väisälä, N, ao quadrado, obtido a artir do erfil de temeratura (Figura 1-A). Como é de se eserar, o valor de N é equeno na troosfera e aresenta um aumento abruto na altura da trooausa, enquanto que valores maiores são observados na região da estratosfera (~ 17 a 35 km de altura). Na Figura 1-D é aresentado um erfil da energia otencial, E, entre e 35 km de altitude. Observa-se que os valores de E aresentam os maiores valores entre 5 e 3 km, variando entre ~ e 6 J / kg. Figura 1 (A) Perfil vertical de temeratura observado no dia 17/8/4 na região nordeste do Brasil (4,6 o S;34,36 o O) em torno das 13:6 UT. (B) Perturbação da temeratura. (C) Freqüência de Brunt-Väisälä ao quadrado e (D) erfil de energia otencial E. Resultados e Discussões Utilizando a metodologia descrita na seção anterior é ossível calcular a distribuição da Energia Potencial ( E ) ara qualquer região de interesse. Devido à órbita olar realizada elo satélite GPS-CHAMP os erfis de temeratura são obtidos globalmente. A Figura -A aresenta o maa de rádio ocultações ocorridas na América do Sul durante o outono de 4 (entre fevereiro e maio de 4). Cada onto do maa reresenta um erfil de temeratura obtido através da técnica de rádio ocultação. A Figura -B aresenta a distribuição da energia otencial, calculada ara este eríodo. Nota-se que as regiões com cores em verde e amarelo aresentam maiores valores de energia otencial e, or conseqüência, uma maior atividade de ondas de gravidade entre e 3 km de altura. Observa-se também que a região de maior atividade de ondas de gravidade está distribuída ± 1 o em torno do equador. Outras regiões isoladas com maior energia otencial odem ser notadas A Figura -C aresenta a distribuição da temeratura na trooausa. Observa-se que as menores temeraturas em torno de 18 a 19 k na altura da trooausa concentram-se em torno de ± o em torno do equador. Nota-se um aumentando desta temeratura, em torno de a 3 K, ara latitudes maiores de 3 o S. Por outro lado, a Figura -D aresenta a distribuição da altura da trooausa ara esta região. Observa-se que a altura maior da trooausa está localizada em torno de ± 3 o em torno do equador, variando entre 14 e 19 km de altura. Nesta região nota-se que a temeratura é menor (Figura -C). Acima de 3 o S, observa-se que a altura da trooausa varia entre 8 e 14 km de altura. Nesta mesma região observam-se temeraturas maiores ara a região da trooausa. Os resultados da temeratura e da altura da trooausa estão de acordo com as observações realizada or rádio sondagens que mostram uma 95

4 altura da trooausa maior no equador e menor à medida que se aroxima dos ólos. O inverso ocorre com a temeratura na altura da trooausa, onde ocorre uma menor temeratura em torno do equador e maiores temeraturas róximas aos ólos. WU, D. L.;WATERS, J. W. Satellite observations of atmosheric variances: A ossible indication of gravity waves. Geohys. Res. Lett., v.3, n.4, , 1996 Conclusão A artir dos erfis de temeratura obtidos elo satélite GPS-CHAMP foi ossível determinar a atividade de ondas de gravidade na região da estratosfera terrestre. Os resultados aresentados mostram que esta é uma técnica muito útil ara o monitoramento global da atividade de ondas que gravidade na baixa atmosfera. Agradecimentos C.M. Wrasse agradece ao aoio da Faes através do rojeto número 5/ Referências - ALLEN, S. J.;VINCENT, R. A. Gravity-Wave Activity in the Lower Atmoshere - Seasonal and Latitudinal Variations. Journal of Geohysical Research-Atmosheres, v.1, n.d1, , JAN ECKERMANN, S.D.; HIROTA, I.; HOCKING, W. K.; Gravity wave and equatorial wave morhology of the stratoshere derived from long-term rocket sounding. Q. J. R. Meteorol. Soc., 11, , FRITTS, D. C.; NASTROM, G. D. Sources of Mesoscale Variability of Gravity-Waves.. Frontal, Convective, and Jet-Stream Excitation. Journal of the Atmosheric Sciences, v.49, n., , JAN FRITTS, D. C.;VANZANDT, T. E. Effects of Doler Shifting on the Frequency-Sectra of Atmosheric Gravity-Waves. Journal of Geohysical Research-Atmosheres, v.9, n.d8, , AUG TSUDA, T.;NISHIDA, M.;ROCKEN, C.;WARE, R. H. A global morhology of gravity wave activity in the stratoshere revealed by the GPS occultation data (GPS/MET). Journal of Geohysical Research-Atmosheres, v.15, n.d6, , MAR 7. - VANZANDT, T. E. A Universal Sectrum of Buoyancy Waves in the Atmoshere. Geohysical Research Letters, v.9, n.5, ,

5 (A) (B) (C) (D) Figura (A) Número de rádio ocultações ocorridas durante o outono de 4. (B) Energia otencial entre e 3 km de altura. (C) Temeratura na Trooausa. (D) Altura da Trooausa. 97