ESTUDOS DE DERIVAS IONOSFÉRICAS POR MEIO DE IONOSSONDAS DIGITAIS

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1 MINISTÉRIO DA CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS INPE-7169-TDI/675 ESTUDOS DE DERIVAS IONOSFÉRICAS POR MEIO DE IONOSSONDAS DIGITAIS Fernando Celso Perin Bertoni Dissertação de Mestrado em Geofísica Espacial, orientada pela Drª. Inez Staciarini Batista e pelo Dr. Mangalathayl Ali Abdu, aprovada em 25 de setembro de INPE São José dos Campos 1999

2 BERTONI, F.C.P. Estudos de derivas ionosféricas por meio de ionossondas digitais / F.C.P.Bertoni São José dos Campos : INPE, p. (INPE-7169-TDI/675). 1.Ionosfera. 2.Derivas eletromagnéticas. 3.Campo geomagnético. 4.Campos elétricos. 5.Ionossondas digitais. I.Título.

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4 Para Adriana, minha amada!

5 Agradecimentos Elaborar este trabalho escrito, foi apenas uma das partes de todo um aprendizado. Primeiramente quero prestar meu respeito pelo trabalho de pesquisa e produção científica da Dr a. Inez Staciarini Batista, minha estimada orientadora; ao prezado Dr. Mangalathayil Ali Abdu, também, meu orientador. Agradeço aos membros da banca examinadora, Dr. Yogeshwar Sahai, Dr. Nalin Babulal Trivedi, Dr. Rui Tertuliano de Medeiros. Agradeço também a todos os meus professores, Dr. Polinaya Muralikrishna, pelos Métodos Matemáticos da Física; Dr a. Maria Virgínia, pela Física de Plasma; Dr. Severino Dutra, pela Eletrodinâmica; Dr. Delano Gobbi; Dr. Osmar Pinto; Dr. Daniel Nordemann, pelas dicas de informática; Dr. Rene Medrano; Dr. Ivan Kantor; Dr. Eurico de Paula ; Dr. James Scali, pelas informações sobre a DGS256; Dr. John MacDougall, pela redução dos dados da CADI e, enfim, a todos os cientistas que vez ou outra, deramme informações as quais me auxiliaram. Agradeço à Maria Goreti, à Lúcia Limiro, à Fatima Usifatti, pela ajuda que me prestaram em vários momentos; ao Acácio Cunha Neto (pelas fotos da digissonda de São Luís), ao Sinval Domingos, Edmilson da Mota Forte, todos os três, por monitorarem a operação das ionossondas digitais; à Sofia Sundfeld Veloso, ao Luís Henrique Pavanelli, pelo auxílio com os microcomputadores. A todos os meus colegas, também vai meu agradecimento, ao Ademilson, Carlos Fernando, Nivaor, Ximena, Jonas. Enfim, a todos aqueles que direta ou indiretamente auxiliaram-me na concretização deste trabalho. Agradeço ao CNPq, pelo suporte financeiro. E agradeço, sobretudo, ao meu pai e à minha mãe - sem os quais nada seria possível - e a toda a família, tanto a minha como à de minha esposa, pelo apoio.

6 RESUMO Utilizaram-se as ionossondas digitais DGS256 (Digissonda), em São Luís (MA) (2,3 S; 42 O) e Canadian Advanced Digital Ionosonde (CADI), em Fortaleza (CE) (4 S; 38 O), ambos os instrumentos situados em localidades da região equatorial brasileira, para estudar as derivas do plasma ionosférico sobre essas regiões. Procurouse discutir a validação do seu uso, por meio de comparação dos resultados apresentados por esses instrumentos, com os encontrados na literatura, visando uma opção a mais em termos de instrumentação, para posterior desenvolvimento de pesquisas a respeito das derivas da ionosfera sobre essas regiões brasileiras. Observou-se que a componente vertical da velocidade de deriva ionosférica apresentada pela DGS256, não concordou inteiramente com aquela exibida pelo radar de espalhamento incoerente de Jicamarca, devido às diferenças instrumentais. Enquanto que o radar mede a deriva eletromagnética, a DGS256 mede a deriva aparente. Entretanto, a componente vertical de velocidade de deriva sobre São Luís exibe um aumento pré-inversão, após o pôr-do- Sol, bem conhecido em latitudes equatoriais. A componente zonal da DGS256 apresentou boa concordância com a do radar de Jicamarca. A comparação dos resultados de deriva vertical obtidos tanto com a DGS256 como com a CADI, demonstraram concordância entre si, somente em algumas faixas de horário, tal concordância levou a acreditar que as medidas efetuadas por esses dois instrumentos poderiam estar certas. Foram cogitadas hipóteses com relação a condições específicas da configuração dos campos elétricos da região F ionosférica, para explicar tanto a concordância como a discordância entre as curvas de componente vertical e zonal de deriva ionosférica obtidas com ambos os instrumentos.

7 IONOSPHERIC DRIFT STUDIES BY DIGITAL IONOSONDES ABSTRACT The ionospheric plasma drifts over the Brazilian region were studied using data from the digital ionosondes DGS256, at São Luís (MA) (2,3 S; 42 W) and CADI (Canadian Advanced Digital Ionosonde), at Fortaleza (CE) (4 S; 38 W), both instruments located at equatorial region. In order to validate the use of those instruments to measure ionospheric plasma drifts, we made intercomparison of the results of both instruments, and comparison with previous results available in the literature, as well, seeking for one more instrumentation option, and so future ionospheric drift research development over those Brazilian regions. It was observed that ionospheric vertical drift velocity measured by DGS256 did not totally agree with that exhibited by Jicamarca's incoherent scatter radar due to instrumental differences. The drift measured by the radar is the electromagnetic drift while the DGS256 measures the apparent drift. However the pre-reversal enhancement that is a well known characteristic of the vertical drift velocity at equatorial latitudes after sunset, is also observed on DGS256 drifts over São Luís. The zonal drift provided by DGS256 agrees well with that obtained by the Jicamarca's radar. The comparison between DGS256 and CADI vertical drift velocities shows good agreement during some time periods and under certain magnetic activity conditions. The results are discussed in terms of the variability of the low latitude electric fields and the differences between quiet and disturbed conditions.

8 SUMÁRIO Pág. LISTA DE FIGURAS CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO A ionosfera Movimentações Motivos para os estudos de derivas CAPÍTULO 2 - DERIVAS IONOSFÉRICAS As derivas ionosféricas: definições A equação da continuidade Equações de movimento do plasma ionosférico Entendendo o movimento através de componentes Campos elétricos, correntes e condutividades Radar de espalhamento incoerente Conceitos básicos Observações de derivas usando o radar de espalhamento incoerente Derivas medidas com satélites e ionossondas Medidas de deriva ionosférica com ionossondas e comparações com modelos.. 55 CAPÍTULO 3 - IONOSSONDAS DIGITAIS: PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO E APLICAÇÕES Método de sondagem com ondas de rádio Algo mais sobre ionossondas e um breve histórico Ionossondas digitais Descrição geral do equipamento Descrição do sistema de aquisição e pré-processador de dados Método de processamento de dados de deriva Pós-processamento dos dados... 78

9 3.4 Estudos com ionossondas digitais CAPÍTULO 4 - O PROCESSAMENTO DOS DADOS E SEUS RESULTADOS Condições na obtenção dos dados Características de um bom conjunto de dados Velocidades de deriva Comparação entre as derivas da DGS256 de São Luís e do radar de Jicamarca Comparação entre as derivas da DGS256 e da CADI Discussão dos resultados CAPÍTULO 5 - CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

10 LISTA DE FIGURAS Pág Perfil de densidade eletrônica levantado por radar de espalhamento incoerente Médias de derivas zonais (leste-oeste) em Jicamarca, para diferentes valores de atividade solar Derivas ionosféricas medidas com o radar de espalhamento incoerente de Jicamarca e velocidades de vento pelo satélite DE a) Derivas verticais em Jicamarca para diferentes fluxos solares e sazões (equinócio, verão, inverno); b) derivas verticais durante diferentes níveis de atividade magnética e mínimo solar (fluxo=25) a) Variações sazonais das derivas zonais (leste-oeste) para períodos de diferentes níveis de atividade solar; b) velocidades de derivas zonais médias para níveis diferentes de atividade magnética a) Variação temporal média de E ye EyF e ( E ye e E yf ) e h'f para o solstício de inverno; b) a mesma coisa que a) para os equinócios Velocidades de deriva vertical obtidas em observações simultâneas do radar de Jicamarca e a ionossonda de Huancayo. φ indica o valor do fluxo solar decimétrico (F10.7cm) Médias de derivas da região F equatorial, durante períodos com fluxos solares moderados e altos e condições magneticamente calmas Médias sazonais das derivas verticais equatoriais do AE-E para condições de fluxo baixas (1977), moderadas (1978) e altas (1979)

11 a) Comparação de derivas verticais médias por longitude do AE-E com derivas correspondentes de Jicamarca, durante condições magneticamente calmas; b) Comparações semelhantes para condições de fluxo solar moderadas a altas Derivas em quatro setores longitudinais diferentes a partir do satélite AE-E (aqui, φ representa as longitudes médias de leste); são apresentados também, padrões de deriva de Jicamarca, para condições similares de atividade solar e geomagnética Comparação entre os dados de VEFI do DE-2 e do radar de Jicamarca (depois de Fejer et al., 1995); as curvas de 10 de latitude representam projeção em alturas típicas às em que foram feitas as medidas de Jicamarca a) Comparação dos dados de deriva obtidos com o IDM do DE-2 com os dados o radar de Jicamarca; b) comparação entre os dados do IDM e do VEFI, ambos pertencentes ao DE Comparação das medidas de deriva vertical obtidas a partir do DE 2 e do radar de espalhamento incoerente de Jicamarca, Peru Médias mensais de deriva vertical na região F sobre Huancayo e Fortaleza com velocidades obtidas através da relação h' F t a partir de ionogramas registrados no horário do crepúsculo Comparação entre as derivas verticais calculadas a partir de ionogramas e as simuladas a partir dos modelos M1 e M2, sobre Fortaleza e Huancayo Comparação entre resultados do modelo de deriva vertical de plasma obtido para região equatorial brasileira em torno do crepúsculo e medidas de satélite, para períodos de alta e baixa atividade solar Fotografias a) de uma das antenas do arranjo de recepção de sinais de eco refletidos pela ionosfera e b) da antena transmissora; ambas em São Luís, MA

12 3.2 - Fotografia da Digissonda DGS256, de São Luis do Maranhão Esquema representativo da situação de duas antenas receptoras, durante a chegada de um eco Diagrama esquemático do processamento de dados de derivas ionosféricas pelos programas do pacote DDA (Digisonde Drift Analysis) Exemplo de um Skymap com dados deriva de São Luis (MA): mostra uma estrutura horizontal de fontes de reflexão que se aproxima radialmente do ponto de zênite, deslocando-se para nordeste com velocidades menores que 100m/s Saídas gráficas do programa DRLINE.EXE do pacote DDA Diagrama esquemático que mostra a ordem de processamento dos programas HORADDA.EXE e MEDDA.EXE: o primeiro uniformiza os horários de arquivos *.DAT com dados de velocidade de deriva, gerados pelo RDODDA.EXE do pacote DDA e armazena em novos arquivos também com extensão *.DAT; o segundo efetua as médias das velocidades de deriva dos arquivos gerados pelo HORADDA.EXE, armazena em arquivos *.DAT Comparações entre medidas de velocidade de deriva feitas por Digissonda 256 (DGS) e Radar de Espalhamento Incoerente (REI), obtidas em Sondre Stromjord, na Groenlândia Tela mostrada durante pós-processamento com o programa DDAS.EXE com a opção de modo por monitoramento gráfico do controle de qualidade de antenas e do número de fontes Skymap com exemplo de boa disposição espacial dos pontos refletores Painel com seqüência de ionogramas com dispersão-f (São Luís) Painel com seqüência de ionogramas com dispersão-f (São Luís)

13 4.5 - Gráfico com medidas das componentes da velocidade de deriva e do número de fontes correspondentes, referentes ao dia 284 (11/10) de Gráfico com medidas das componentes da velocidade de deriva e do número de fontes correspondentes, referentes ao dia 286 (13/10) de Perfis de contorno das isolinhas de densidade Gráfico com apresentação de dados brutos e suavizados Gráfico apresentando as médias das componentes de velocidade de deriva, sobre 15 dias de dados Derivas verticais médias medidas com o radar de Jicamarca, por Fejer et al. (1991) e com a DGS256 de São Luís, incluindo a deriva obtida através da relação( h' F / t ) Curvas de deriva vertical média medidas com: a) ionossonda em Fortaleza, por Batista et al. (1996); b) DGS256 em São Luís Curvas de deriva zonal médias medidas com: radar de Jicamarca (linha tracejada) por Fejer et al. (1991) e com a DGS256 de São Luís (linha contínua) Componentes de velocidade de deriva medias pela CADI em Fortaleza, comparação entre os dados brutos e suavizados por 15 pontos a) Comparação entre medidas do dia 284 de 1997, efetuadas pela DGS256 em São Luís e pela CADI em Fortaleza; b) Idem item a, mas para o dia Comparação entre médias para um mesmo período de 15 dias (03 a 17 de outubro de 1997) entre medidas efetuadas pela DGS e pela CADI

14 a) Comparação entre médias de medidas de derivas efetuadas em São Luís e Fortaleza, durante dias magneticamente calmos; b) Idem item a, mas para dias magneticamente perturbados Esquema representando a situação dos pontos de reflexão na camada F para uma mesma altitude na estação de São Luís (SL) que está próxima ao equador magnético (E. M.) e na estação de Fortaleza (Fz) e as linhas de campo correspondentes Comparação das médias das componentes zonais de deriva obtidas com a DGS e a CADI, para períodos magneticamente perturbado e calmo

15 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 A IONOSFERA A natureza quântica da matéria é responsável pela existência da camada de gases ionizados conhecida como ionosfera. Tal camada da atmosfera terrestre estende-se de aproximadamente 60km a alturas superiores a 1000km. A fonte primária de ionização advém da fotoionização dos componentes atmosféricos promovida, basicamente, pelos raios solares na faixa de extremo ultravioleta (EUV) e de raios-x. Fontes secundárias de ionização constituem-se de processos colisionais entre partículas excitadas, sejam elas íons, elétrons ou moléculas neutras principalmente. A ionosfera é constituída em sua maior parte por íons monovalentes positivos e elétrons. Ela possui estratificações as quais foram denominadas como camadas D, E, F1 e F2 (atualmente mais uma camada vem sendo estudada é a F3, que se limita em apresentar-se sob determinadas circunstâncias, somente em latitude baixas e equatoriais). Em baixas altitudes, ou seja, na camada D, existe uma pequena contribuição de íons monovalentes negativos e de íons hidratados, dada a grande influência da atmosfera neutra. A altura é um importante fator nos estudos atmosféricos, pois, há diversas propriedades que variam com ela. No caso das camadas ionosféricas, os componentes atmosféricos distribuem-se conforme suas alturas de escala, kt H = (1.1) mg onde k é a constante de Boltzmann; T, a temperatura absoluta; m é a massa da partícula e g representa a aceleração gravitacional. Cada componente atmosférico possui seu potencial de ionização. Logo, conforme os fótons das faixas de comprimento de onda EUV e de raios-x vão ionizando os diferentes componentes atmosféricos de diferentes alturas, a existência das camadas torna-se possível. 19

16 Há que considerarmos, também a constante de tempo de reação (grandeza relacionada ao tempo que um par íon-elétron leva para recombinar-se) e a constante de perda por difusão (grandeza relacionada ao tempo que as espécies ionizadas levam para serem transportadas para regiões diferentes das que foram produzidas tendo um efeito de perda iônica/eletrônica). A constante de tempo das reações depende da concentração dos reagentes e, portanto, é uma grandeza que depende da distribuição de energia das moléculas envolvidas na reação. Quanto menor a concentração, maior será a constante de tempo. Já a perda por difusão tende a diminuir com a altura. Durante o dia, por exemplo, a camada F2 atinge densidade numérica da ordem de m -3, com altura média em torno de 300km (Hargreaves, 1992). Tal fato deve-se a uma otimização na conjugação das constantes de tempo de reação e de difusão, isto é, nessa região, além da presença de átomos/moléculas ionizáveis e fótons ionizantes, as taxas de recombinação e perda por difusão são equivalentes, ou seja, os pares de íon-elétron ali produzidos levam algum tempo para serem transportados para outras regiões (se forem transportados) e devido à baixa densidade atmosférica as espécies químicas não se recombinam tão rapidamente - na região F2, medidas das taxas de recombinação revelaram que o tempo de vida de um par íon-elétron é de uma a duas horas (Ferguson, 1969 citado por Bittencourt, 1996). 1.2 MOVIMENTAÇÕES Um meio eletricamente ativo, com constantes transformações de ordem físicoquímica, tal como é a ionosfera, apresenta características que o diferenciam como um todo com relação à atmosfera neutra. Por exemplo, há um grande número de reações fotoquímicas que acontecem somente na ionosfera. Conseqüente à produção química, como já foi dito, há o transporte de volumes ionizados por ventos ou, mesmo por efeitos difusivos. Há também, a movimentação dos íons/elétrons com origem nas interações deles com os campos elétricos e geomagnético - esta movimentação é denominada como deriva eletromagnética. A velocidade de movimentação do plasma ionosférico leva consigo cada uma das contribuições dessas diferentes formas de movimentação, porém a que terá para nós maior importância é 20

17 aquela de origem eletromagnética. Pois é através dela que teremos noção do comportamento dos campos elétricos os quais através da geração de irregularidades do plasma ionosférico, causam interferência sobre as ondas eletromagnéticas que atravessam a ionosfera - estas também denominadas como ondas de rádio transionosféricas. 1.3 MOTIVOS PARA OS ESTUDOS DE DERIVAS Conforme foi dito anteriormente, através do estudo de derivas podemos compreender melhor o comportamento dos campos elétricos ionosféricos que são responsáveis pelas interferências sobre as ondas de rádio transionosféricas, através da geração de irregularidades de plasma. Uma das perguntas que poderia ser feita é então: por que não medir diretamente os campos elétricos, ao invés de medi-los indiretamente, através das velocidades de deriva? Tal pergunta procede e tem sua explicação na maneira de medirem-se os campos elétricos, apenas por instrumentos no próprio local. Isto é, somente através de cargas úteis a bordo de satélites e foguetes, é possível medir diretamente os campos elétricos da ionosfera o que torna as medidas muito localizadas, pois, apesar dos satélites poderem circundar todo o globo terrestre, cada órbita possui parâmetros estritamente definidos e quanto aos foguetes, a medição torna-se mais restrita ainda, já que seu vôo oferece uma cobertura bem mais limitada. Porém, essas medidas feitas por tais instrumentos não deixam de ser úteis para podermos aferir características importantes da ionosfera. Os instrumentos em terra, como é o caso das ionossondas digitais, radares de espalhamento incoerente e coerente, realizam medidas de maior alcance espacial, possibilitando-nos observar grandes áreas em altitudes variadas. Evidentemente, não há ainda instrumentos sem suas limitações. Conquanto tenhamos ionossondas digitais portáteis, o que expande as possibilidades de locais de observação, o método de sondagem por reflexão das ondas traz grandes dificuldades na interpretação dos dados, por causa dos inúmeros processos que sofrem as ondas transmitidas e recebidas. 21

18 Já os instrumentos como os radares de espalhamento incoerente e coerente, por exemplo, não podem ser transportados de um lugar para outro sem que haja grandes custos envolvidos. Custos que inviabilizam tais tentativas. Uma das soluções, é tentar operar em rede, mas nem sempre também isso é possível, dadas as enormes distâncias entre radares ou mesmo entre ionossondas e a problemas de sincronismo no funcionamento. Porém, mesmo assim, sempre são bem vindas as tentativas nesse sentido. Na atualidade, aqui no Brasil, há a possibilidade de implementação de uma rede de ionossondas digitais e, com isso, teríamos um monitoramento meridional muito bom, isto é, a possibilidade de operar uma rede de ionossondas digitais que cobririam desde o Rio Grande do Sul, passando aqui por São Paulo, Maranhão, Ceará e Rio Grande do Norte, sobre a região brasileira. Realizou-se, neste trabalho, um estudo comparativo de medidas de derivas do plasma ionosférico com ionossondas digitais, nas localidades brasileiras de São Luís (2,3 S; 316 L; dip -0,5 ) e Fortaleza (4 S; 322 L; dip -9 ). Em São Luís, com a Digisonde Digital Ionosonde DGS256 e, em Fortaleza, com a Canadian Advanced Digital Ionosonde (CADI), procurando-se efetuar uma validação no uso de ionossondas digitais para medidas de derivas em regiões equatoriais e de baixas latitudes. Chegamos a resultados muito interessantes no que diz respeito ao modo de processamento dos cálculos das velocidades de deriva vertical. Tais resultados podem, sem dúvida, contribuir para o aperfeiçoamento dos instrumentos de medida e, por conseqüência, aprimoramento dos dados de medidas. Isso reflete a aplicabilidade prática deste trabalho. Neste trabalho, o Capítulo 2, a seguir, trata da revisão teórica a respeito das derivas ionosféricas, bem como dos campos elétricos e condutividades, apresentando suas características básicas. Além disso, há toda uma revisão bibliográfica a respeito de trabalhos cujo assunto era o estudo de derivas ionosféricas através de ionossondas analógicas, radares de espalhamento incoerente e satélites. No Capítulo 3, descreveu-se o sistema de aquisição e processamento de dados principalmente pela DGS256, cuja documentação tem mais volume de informação se 22

19 comparada à CADI. Além disso, foram revisados artigos cujo tema era o estudo de derivas ionosféricas com medidas obtidas a partir de ionossondas digitais, assim como comparações entre ionossondas digitais, radares de espalhamento incoerente e satélites. No Capítulo 4 apresentaram-se os resultados advindos do processamento dos dados de deriva ionosférica obtidos por meio da DGS256, em São Luís e da CADI, em Fortaleza. É feita também a discussão dos resultados e são lançadas algumas hipóteses a respeito do comportamento apresentado pelas curvas das componentes verticais das velocidades de deriva medidas por ambas as ionossondas digitais. E no Capítulo 5, apresentaram-se as conclusões. 23

20 CAPÍTULO 2 DERIVAS IONOSFÉRICAS Vários instrumentos vêm sendo utilizados para estudar as derivas, os campos elétricos, as irregularidades, ou seja, os fenômenos eletrodinâmicos da ionosfera. Instrumentos como radares de espalhamento incoerente e de espalhamento coerente, as pioneiras ionossondas analógicas, as modernas ionossondas digitais, polarímetros, sondas capacitivas e de Langmuir a bordo de foguetes, satélites que são utilizados para sondagem do topo da ionosfera e, também, para estudos de cintilação, enfim, uma grande variedade de instrumentos. Atualmente, com os conceitos de mercado econômico em mudança, a tendência é de que alguns desses instrumentos vão sendo deixados de lado e outros sendo mais utilizados. Características como versatilidade no número de parâmetros observáveis, custos de manutenção e aquisição, e mesmo a razão custo/benefício das técnicas e métodos utilizados (este ponto sempre, talvez, o mais ponderado), são fatores determinantes nessa escolha. Para os estudos sobre derivas ionosféricas, têm sido utilizados radares de espalhamento incoerente (Woodman e Hagfors, 1969; Woodman, 1970 e 1972; Fejer et al., 1991), satélites (Maynard et al., 1988; Coley e Heelis, 1989), técnicas de recepção espaçada (Abdu et al., 1985), método de cálculo da variação temporal de altura virtual mínima da camada F (Abdu et al. 1981b; Batista et al., 1986 e 1996) e mais atualmente, ionossondas digitais (Scali et al. 1997a e b). 2.1 AS DERIVAS IONOSFÉRICAS: DEFINIÇÕES As reações de produção e perda iônicas, as forças externas de origem eletromagnética e gravitacional, os ventos neutros e a difusão, produzem um efeito final de movimento do plasma ionosférico como um todo. Após o ocaso, quando as reações de produção por fotoionização cessam, a recombinação passa a ser o processo predominante, deixando de haver equilíbrio entre produção e recombinação - ao menos nas camadas ionosféricas inferiores (regiões D e E) 25

21 onde deixa de incidir luz do Sol. Dessa forma, o que parece ser a ascensão do plasma das regiões ionosféricas inferiores é, na verdade, somente um movimento aparente, tratandose na verdade, da recombinação de íons e elétrons A Equação da Continuidade Os processos de produção, perda e o transporte de plasma, estão relacionados pela equação da continuidade de massa (ou densidade de massa, ou mesmo, densidade de carga). Essa equação estabelece que a variação total de uma dessas grandezas eqüivale, em um volume unitário, ao fluxo de partículas que entra ou que sai. Ela é expressa por: ni t = Pi Li r ( n ) iv r i (2.1) Pi e Li são os termos de produção e perda, respectivamente, e o termo de divergente representa a quantidade de íons perdidos por transporte, onde n i representa a densidade numérica de íons e v r i, a velocidade com que se movem. Segundo Banks e Kockarts (1973), as soluções dessa equação não são obtidas sem se conhecer v r i. O caso geral da difusão envolve uma complexidade de interações. E, somente as soluções numéricas são completas Equações de Movimento do Plasma Ionosférico A ionosfera como um plasma, é eletricamente neutra, considerando-se que a densidade numérica de espécies ionizadas e elétrons é igual e que possui forças restauradoras que mantêm a propriedade de neutralidade do meio. As partículas ionizadas, em interação com as forças devido aos campos elétricos e geomagnético ( E r B r ), são transportadas perpendicularmente às linhas de campo magnético, determinando o aparecimento de derivas eletromagnéticas da ionosfera. Por efeito de colisão e arraste, os volumes ionizados são transportados pelos ventos neutros termosféricos na direção de suas componentes ao longo das linhas de campo magnético. E, também ao longo das linhas de campo magnético, ocorre o fenômeno da difusão ambipolar do plasma ionosférico. Para este trabalho, apesar das derivas ionosféricas 26

22 terem todas essas contribuições (ventos neutros, difusão, gravidade, campos elétricos e campo geomagnético) a que terá maior importância é a contribuição eletromagnética. Trata-se, pois, de uma das maneiras de compreender o comportamento dos campos elétricos que também são responsáveis pelas geração de irregularidades que interferem com as ondas eletromagnéticas as quais atravessam a ionosfera, ou seja, na comunicação transionosférica. A equação da continuidade representa uma conexão entre os tratamentos químico e físico dados aos estudos ionosféricos. Então, partindo para uma visão da dinâmica física da ionosfera, podemos utilizar um modelo de plasma fracamente ionizado para caracterizar a ionosfera. Segundo Bittencourt (1995), em um plasma fracamente ionizado, as interações de partículas carregadas e neutras predominam sobre as interações múltiplas coulombianas. Ou seja, as espécies ionizadas não se encontram em densidade tão grande e, conseqüentemente, tão próximas umas das outras que possam exercer interações elétricas umas sobre as outras, havendo no caso do plasma ionosférico, entre suas espécies eletroquímicas, somente interações termais-colisionais, bem como as forças de restauração, mencionadas anteriormente, que surgem em decorrência do comportamento coletivo dos volumes ionizados. Além disso, considerando-se as temperaturas eletrônica e iônica, podemos também definir um comportamento de plasma frio à ionosfera. Assim, sob ação de forças eletromagnéticas e gravitacionais, forças decorrentes do gradiente de pressão dos gases e do arraste dos ventos neutros, na ionosfera o caso geral do movimento das espécies eletroquímicas individuais, pode ser expresso pela seguinte equação macroscópica generalizada de transporte: ρmα r Dvα Dt r = nα qα v r r r ( E + α B) + ρ α g pα + Aα m r r (2.2) onde α, é um índice que pode representar as espécies neutras, íons ou elétrons; ρm α = nα mα (2.3) 27

23 28 α α α α ρ q n m m e,, representam respectivamente a densidade numérica de massa, a massa, a densidade numérica e a carga da partícula, α vr representa a velocidade média de transporte da partícula. D/Dt é denominada derivada substantiva e é dada por: ( ) α α α α v v v v r r r r r + = t Dt D (2.4) r r r E B g, e, os campos elétrico, magnético e a aceleração da gravidade, p α é a pressão do gás expressa por: α α α kt n p = (2.5) onde k e T α são constante de Boltzmann e temperatura da partícula, respectivamente e α A representa o termo de colisão. Este é normalmente representado pela expressão: ( ) β α αβ α α ν ρ v v r r = m A (2.6) que exprime os efeitos dinâmicos do atrito entre gases com velocidades de transporte diferentes, onde αβ ν, é a freqüência de colisão entre as espécies. α e β Para íons e elétrons, a Expressão (2.2) pode ser rescrita como segue, após várias suposições e simplificações (Bittencourt, 1996): ( ) ( ) ( ) ( ) j i ij i j i in i n i i i i i i i i m u m p n m g B E e t m v v v 1 v v v v r r r r r r r r r r r r r + + = + ν ν (2.7) ( ) ( ) e e e e e e e p n B E e t m + = + r r r r r r r r 1 v v v v (2.8) onde em (2.7) ν in é a freqüência de colisão entre íons e neutras; ν ij é a freqüência de colisão entre íons e íons; r u velocidade dos ventos neutros termosféricos e os termos relativos à pressão seguem a Expressão (2.5), ou seja

24 p i = nikti (2.9) p e = nekte (2.10) Para chegar-se às Expressões (2.7) e (2.8), desprezam-se os termos colisionais e gravitacionais com relação aos elétrons, considera-se a distribuição de velocidade isotrópica o que permite a utilização das Expressões (2.9) e (2.10) no lugar da diádica de pressão. Algumas observações podem ser feitas com base na Expressão (2.2) e no conhecimento advindo das sondagens ionosféricas. A influência dos campos de força sobre as partículas elétricas é variável conforme a altura, latitude e longitude em que se encontram. É pertinente subdividirmos a ionosfera em três regiões (Banks e Kockarts, 1973). Na primeira, e mais baixa (altitudes menores que 70km) a freqüência de colisão de íons e elétrons é bem maior que a freqüência ciclotrônica de íons e elétrons, respectivamente, ou seja, νi >> ωi ν e >> ωe (2.11) que a freqüência ciclotrônica é expressa por: ω α qα B = (2.12) mα Assim, em alturas menores a contribuição da força gravitacional e da força de arraste exercida pelos ventos neutros, isto é, a ação de forças colisionais, é maior do que aquela devida aos campos eletromagnéticos. A segunda região (em faixa de altura entre 70km e 130km), com diminuição substancial de densidade e, por conseqüência, da componente colisional para os elétrons os quais apresentam seção de choque bem menor que a dos íons, temos νi >> ωi ν e << ωe (2.13) 29

25 Nessa região, os campos elétrico e magnético terão maior influência sobre a movimentação das partículas eletricamente ativas, salientando que inicialmente há predomínio da ação do campo elétrico e em alturas superiores (dentro dessa faixa), ocorre equilíbrio entre eles ( ) ν i, e ωi, e. E, na terceira região (a partir de 150km de altura), temos νi << ωi ν e << ωe (2.14) ou seja, há predomínio da ação do campo magnético sobre a movimentação das partículas eletricamente ativas da região Entendendo o Movimento Através de suas Componentes Para podermos entender intuitivamente os movimentos dessas partículas todas, podemos considerar os movimentos das partículas elétricas do plasma ionosférico, sob o ponto-de-vista da teoria cinética. Utilizando-nos da visão teórica de Scali (1993), teremos basicamente três componentes. A primeira componente ocorre se há deriva de gradiente; a segunda, devida a ação dos campos elétricos e magnéticos; a terceira, devida à ação do campo gravitacional (ainda que seja pequena sua contribuição). Assim, a velocidade final é dada por: r r r r v d = vdg + vde + v grav = deriva de gradiente + deriva de campo elétrico + deriva gravidade (2.15) Segundo o autor, a primeira componente (a da deriva de gradiente) é fruto da simetria do campo geomagnético e possui, por sua vez, uma componente perpendicular ao campo e outra paralela. A componente vertical decorre do gradiente de densidade de linhas de campo. Quanto mais próximo à superfície terrestre, mais linhas de campo existem, logo, as partículas ionizadas têm um raio ciclotrônico (ou de girofreqüência) 30

26 menor e, em regiões de maior altitude, raio ciclotrônico maior - é oportuno lembrar que é definido como: rα mα v = α (2.16) qα B onde temos as constantes já definidas anteriormente, isto é, a massa da partícula e sua carga; B, a intensidade do campo geomagnético e a velocidade da partícula. Além disso, as partículas sofrem força centrífuga, ao girar em torno de linhas de campo magnético curvas, tendo como efeito, a componente paralela à direção do campo. Essas duas componentes resultam na Expressão (2.17) abaixo: r vdg r ( B B) ε + = 2ε r // 3 qα B (2.17) onde ε e ε // representam, respectivamente, energia cinética da partícula, perpendicular à direção do campo magnético e energia cinética da partícula, paralela à direção do campo magnético. Os campos elétricos das regiões E e F originam a deriva eletromagnética. Nesse processo, a velocidade é dada por: r r ( E B) r 1 v de = (2.18) B 2 as partículas movimentam-se perpendicularmente à direção das linhas de campo magnético e elétrico. E, apesar da fraca influência do campo gravitacional em face das outras interações, existe a componente decorrente de suas ações. A velocidade de deriva devido à gravidade é expressa por: r r ( g B) r m v grav = α (2.19) qα B 31

27 Em nossa análise para movimentos de partículas em alturas superiores a 300km, podemos considerar três regiões diferentes para o campo geomagnético. Em cada região esse campo possui uma característica mais marcante, a saber, próximo aos pólos ele possui gradientes de curvatura e divergência; na região equatorial, ele pode ser considerado uniforme; nas regiões de médias latitudes, podemos assumir que tenha somente gradiente de curvatura. Então, com tais hipóteses, cada uma das componentes de movimento tem maior ou menor contribuição, conforme a latitude. Para descrever o comportamento da ionosfera no tocante ao perfil de densidade eletrônica, altura de freqüências críticas e derivas, dispomos de modelos computacionais matemáticos, empíricos e semi-empíricos. Os modelos permitem prever em maior ou menor grau, o comportamento global da ionosfera. Os modelos matemáticos (ou físicos) procuram a solução numérica das três equações principais da física de plasmas aplicada à ionosfera, são elas a equação da continuidade, a equação de conservação de energia e a de conservação de momento (Stening, 1992). Os modelos empíricos baseiam-se em dados de observações por instrumentos, sejam eles ionossondas (e mais recentemente as ionossondas digitais), satélites, foguetes ou radares. Monta-se um conjunto de funções empíricas cujos coeficientes vão sendo constantemente refinados. Como não há instrumentos sobre toda superfície terrestre (os oceanos, por exemplo), freqüentemente os resultados são obtidos com interpolações. Mais recentemente os modelos semi-empíricos vêm desenvolvendo o refinamento para as lacunas de informação de entrada para os modelos empíricos, justamente pela interpolação utilizando as leis da física. 2.2 CAMPOS ELÉTRICOS, CORRENTES E CONDUTIVIDADES Campos elétricos de baixas latitudes têm importante influência sobre as derivas verticais ( E r B r ), bem como no direcionamento do eletrojato equatorial. Fejer (1981, 1991) fez uma revisão sobre o assunto. O campo elétrico da região E tem origem nos ventos neutros os quais influenciam o transporte de íons e elétrons, por colisão e arraste. Os ventos dessa região são gerados 32

28 pelo aquecimento solar que, por sua vez, ocasiona gradientes de temperatura e pressão. Devido à diferença na ordem de grandeza das massas de íons e elétrons, bem como de suas seções de choque, os íons sofrem maior ação dos ventos neutros. Além disso, nessa região, sob a influência do campo geomagnético, as partículas carregadas tendem a assumir o movimento ciclotrônico, entretanto com intensidades diferentes, como podemos verificar no conjunto de Expressões (2.13). Devido à diferença de massa, a freqüência ciclotrônica (Equação 2.12) dos elétrons é superior à dos íons. Nessas condições, devido ao arraste pelos ventos neutros e à ação do campo geomagnético, ocorre movimento relativo entre íons e elétrons. Há separação entre as espécies químicas (íons e elétrons), conseqüente polarização e, assim originam-se campos elétricos intrínsecos. Esse efeito de geração de campos elétricos é denominado dínamo da região E. Como foi dito anteriormente, forças restauradoras do tipo: F = ee (2.20) mantêm a neutralidade do plasma ionosférico como um todo, atuando sobre cada partícula. No momento da polarização, então aparecem também as correntes elétricas. O meio ionizado das regiões D e E possui condutividade que varia durante o dia (Banks e Kockarts, 1973). Na região abaixo de 70km, o meio é isotrópico e a corrente elétrica pode ser escrita como em (2.21): r r J = σe (2.21) E, como pode-se notar, a corrente flui na mesma direção do campo elétrico, onde σ, a condutividade, é um escalar e é dada por: σ 2 1 = nee miν i 1 + meν e (2.22) expressão da qual percebe-se que devido a por elétrons. m i >> me, quase toda corrente é carregada 33

29 34 Para regiões mais altas (entre 70km e 130km), o meio passa a sofrer influência do campo magnético que atuando sobre os elétrons, faz com que a condutividade passe a ser anisotrópica, ou seja, tem comportamentos diferentes conforme as direções. De escalar a condutividade passa a ser descrita como um tensor. Duas outras componentes de condutividade são definidas. Cada componente relaciona-se com a corrente que flui paralela ou perpendicularmente ao campo elétrico. São denominadas condutividade de Pedersen e de Hall: ( ) ( ) e n m m e i i i i e e e e P = ω ν ν ω ν ν σ (2.23) ( ) ( ) e n m m e i i i i e e e e H + + = ω ν ω ω ν ω σ (2.24) Seja um campo elétrico como de (2.25): k E j E i E E z y x ˆ ˆ ˆ + + = r (2.25) A corrente total é dada por: k J j J i J J z y x ˆ ˆ ˆ + + = r (2.26) Na forma matricial a Equação 2.26 pode ser escrita como se segue: = z y x o P H H P E E E J σ σ σ σ σ r (2.27) A condutividade direta (expressa anteriormente pela Equação 2.22 e agora representada por o σ ) dirige o fluxo de corrente paralelamente aos campos elétrico e magnético; a de Hall dirige o fluxo de corrente perpendicularmente ao campo elétrico e ao magnético e a condutividade Pedersen, paralelamente ao campo elétrico e perpendicularmente ao magnético.

30 Ainda, segundo Baker e Martyn (1953), no equador magnético surge a condutividade Cowling: σ C 2 σ = σ H P + (2.28) σ P Na parte inferior da região E, o campo elétrico leste-oeste de Pedersen estabelece um grande campo vertical de polarização, centrado em torno de 105km, o qual dirige o eletrojato equatorial (Fejer, 1981). Na região F, os campos elétricos são criados pelos ventos neutros termosféricos, porém durante o dia, eles são anulados pelo efeito das altas condutividades da região E, que através das linhas de campo promovem o mapeamento dos campos elétricos da região E para a região F. Então, durante o dia, as derivas verticais e zonais, são controladas basicamente pelos campos elétricos da região E: as derivas verticais são ascendentes (positivas) e as derivas zonais, voltadas para oeste. Durante o período do ocaso e pós-ocaso, quando a condutividade da região E cai rapidamente, os campos elétricos das regiões E e F somam suas contribuições à velocidade de deriva vertical, aumentando-a substancialmente, gerando o denominado pico pré-inversão (Rishbeth, 1971). E durante a noite, os campos elétricos da região F passam a ser responsáveis pelo comportamento das derivas verticais, sendo estas voltadas para baixo (negativas) e as derivas zonais, para leste. 2.3 RADAR DE ESPALHAMENTO INCOERENTE Conceitos Básicos Antes de comentar textos que utilizaram medidas de radares incoerentes, para estudar derivas e campos elétricos ionosféricos, é proveitoso fazer uma breve descrição do instrumento. O espalhamento de ondas eletromagnéticas por elétrons foi descoberto por Thompson (1906, citado por Bullett, 1994 e Basu et al., 1985). Gordon (1958, citado por Bullett, 1994 e Basu et al., 1985) previu que o mesmo princípio poderia ser aplicado 35

31 à sondagem ionosférica. Enviando-se pulsos eletromagnéticos com freqüência bem maior que fof2 - a freqüência ordinária de plasma do pico de densidade eletrônica da camada F2 - haveria espalhamento detectável. Gordon supôs que os elétrons estariam em movimento termal aleatório do mesmo tipo do executado pelas partículas neutras, então o radar detectaria espalhamento de elétrons individuais, com fase aleatória (ou incoerente). Os ecos desses pulsos trariam informações de parâmetros geofísicos tanto da parte inferior como da superior da ionosfera. Após alguns experimentos, foi detectado que o espectro espalhado consiste de duas partes, uma devido aos íons e outra, aos elétrons. Quando o comprimento de onda do radar é muito maior que o comprimento de Debye do plasma, a energia espalhada é devido à velocidade termal mais lenta dos íons, não dos elétrons. E, se o comprimento de onda do radar é muito menor que o de Debye, a energia espalhada é totalmente devido à componente eletrônica. O deslocamento Doppler em freqüência obtido para um íon que se aproxima do radar com velocidade média termal é dado por: fi 1/ 2 1 8kT = i λ mi ( Hz) (2.29) onde m i e T i são, respectivamente a massa e a temperatura do íon; λ é o comprimento de onda do radar (em metros). Para pequenos valores da razão entre temperatura eletrônica e iônica ( T T ) de espalhamento (ϖ ) é dada por: e i, encontrados na ionosfera (Basu et al., 1985), a seção total ϖ = ϖ e 2 T ( ) 1 + α e + α Ti (2.30) onde o parâmetro α, relaciona o comprimento de Debye (D) com o comprimento de onda do radar ( λ ), de acordo com (2.31): 4πD α = (2.31) λ 36

32 É possível levantar o perfil de densidade eletrônica como o que pode ser visto na Figura 2.1, através da variação da potência de eco em função do retardo do pulso emitido verticalmente, conforme a Expressão (2.32): Ps ( h) ϖ ( h) n = C e (2.32) 2 h onde C é uma constante a qual pode ser determinada tanto por parâmetros de radar ou por uma determinação absoluta do valor de ne ( h) para um valor fixo de altura. Fig Perfil de densidade eletrônica obtido por radar de espalhamento incoerente. FONTE: Basu et al. (1985, p.10-16). 37

33 2.3.2 Observações de Derivas Usando o Radar de Espalhamento Incoerente Observações de derivas ionosféricas verticais e zonais da região equatorial com radar de espalhamento incoerente têm sido efetuadas no Rádio Observatório de Jicamarca (12 S, 76,9 O; dip 2 N) no Peru, por mais de três décadas. Os resultados das derivas da região F equatorial, têm sido utilizados para o estudo das variações sazonais, com a atividade solar e com a atividade magnética (Fejer, 1981 e 1991; Fejer et al., 1979, 1985, 1996). Sendo que os trabalhos de 1981 e 1985 tratam sobre derivas zonais (leste-oeste) da região F; os artigos de 1979 e 1991, sobre derivas verticais, também da região F. E, no de 1996, é feita uma comparação entre medidas de derivas verticais da região F equatorial com três técnicas diferentes, a saber, radar de espalhamento incoerente, ionossonda e satélite. Fejer et al. (1985), analisaram as derivas zonais no período de máximo solar de , tornando parte desse artigo, uma extensão dos resultados de Fejer et al. (1981) e compararam também os resultados de derivas zonais e de ventos neutros com os de outras técnicas. As médias de derivas leste-oeste medidas durante são comparadas com as de e , na Figura 2.2. Fig Médias de derivas zonais (leste-oeste) em Jicamarca, para diferentes valores de atividade solar. FONTE: Fejer et al. (1985, p ). 38

34 Durante os períodos considerados, o número de manchas solares foi de 80 ( ), 25 ( ) e de 170 ( ). Como se vê, não há variação significativa nas derivas diurnas e no horário de inversão do entardecer, com relação à atividade solar. O horário de inversão matinal é atrasado em 1 a 3 horas. A velocidade de deriva noturna, entretanto, aumenta consideravelmente com intensificação da atividade solar, de 105 m/s varia para aproximadamente 150 m/s, entre e Há grande variação diária na magnitude das derivas noturnas, mas não há variação aparente com a estação do ano e com a atividade magnética. Segundo os autores, este último resultado está em contraste com as significantes variações observadas nas derivas verticais (campos elétricos leste-oeste), durante períodos magneticamente perturbados (Gonzales et al., 1979). Comparações com medidas de polarização com receptores espaçados feitos na região de baixas latitudes brasileiras (Abdu et al., 1985), revelaram diferenças de magnitudes das derivas noturnas para leste. Porém, os autores apontam como causas das diferenças as diferentes faixas de altitude nas quais foram feitas as medidas. E, na Figura 2.3, há uma comparação das derivas médias com os dados de ventos do DE-2 (Wharton, 1984 citado por Fejer et al., 1985). Fig Derivas ionosféricas medidas com o radar de espalhamento incoerente de Jicamarca e velocidades de vento medidas pelo satélite DE-2. FONTE: Fejer et al. (1985, ). 39

35 As derivas verticais de plasma equatorial são conduzidas por campos elétricos zonais e, por isso, sofrem grande influência de atividade magnética (Fejer, 1986; Batista et al., 1991). Entretanto, durante máximos de atividade solar, as médias de derivas verticais em Jicamarca, para Kp>3 e Kp 2 +, são suavemente diferentes exceto próximo ao ocaso. A penetração de campos elétricos de altas latitudes em regiões ionosféricas de baixa latitude, durante períodos perturbados, e/ou a perturbação de efeitos de dínamo, provoca perturbações nas velocidades de deriva (Blanc e Richmond, 1980) A Figura 2.4a mostra as derivas verticais médias durante o equinócio, o inverno e verão, para três níveis de fluxo solar (10,7cm). O crescimento do pico pré-inversão, segundo os autores, deve-se a aumentos correspondentes dos ventos zonais equatoriais e da razão entre o campo magnético e as condutividades Pedersen médias nas regiões E e F. (a) (b) Fig a) derivas verticais em Jicamarca para diferentes fluxos solares e sazões (equinócio, verão, inverno); b) derivas verticais durante diferentes níveis de atividade magnética e mínimo solar (fluxo=25). FONTE: Fejer et al. (1991, p ). 40

36 Já a Figura 2.4b mostra o comportamento das derivas verticais para situações magneticamente perturbada (Kp>3) e magneticamente calma (Kp<2 + ), durante mínimo de atividade solar. Observa-se que, nessas condições, as derivas médias, são significativamente diferentes principalmente próximo ao amanhecer e ao crepúsculo, durante períodos perturbados. Segundo os autores, o grande valor das velocidades verticais para cima, próximo ao crepúsculo e para baixo, próximo ao amanhecer, estão consistentes com um aumento na penetração de campos elétricos de altas latitudes associados com crescimento na convecção. O pico pré-inversão aumentou com a atividade magnética durante o inverno porém, parece saturar-se com grandes níveis de fluxo solar. Os autores sugerem que as derivas diurnas da região F e, portanto, os correspondentes campos elétricos e ventos da região E são quase independentes de atividade solar. Na Figura 2.5a, observa-se variação média da deriva zonal para cada estação e dois diferentes valores de fluxo solar. Os autores concluíram que a deriva zonal diurna, nessa região, sofre pouca variação em função da estação do ano e da atividade solar, bem como que o crescimento do pico pré-inversão na Figura 2.4a é máximo durante o equinócio. E, na Figura 2.5b, observa-se que a deriva média zonal decresce com o aumento da atividade magnética. As derivas zonais diurnas são independentes das estações do ano e também, da atividade magnética; enquanto as noturnas aumentam com a atividade solar para todas as estações, mas decrescem com a atividade magnética. 41

37 (a) (b) Fig a) Variações sazonais das derivas zonais (leste-oeste) para períodos de diferentes níveis de atividade solar; b) velocidades de derivas zonais médias para níveis diferentes de atividade magnética. FONTE: Fejer (1991, pp e ). Hari et al. (1996) estudaram os campos elétricos zonais das regiões E e F equatoriais, em períodos logo após o pôr-do-sol, na região de Trivandrum (8,5 N; 77 L; 42

38 dip: ~0,5 ), Índia. Utilizaram radar VHF de retroespalhamento e ionossonda. Os campos elétricos foram calculados a partir de derivas verticais obtidas usando o método de variação temporal de h'f de ionogramas (Abdu et al., 1981a). O radar opera em 54,95 MHz e o espectro de potência Doppler do sinal de espalhamento coerente captado corresponde a irregularidades de ionização numa escala de tamanho de 2,7m. O campo elétrico da região E foi obtido, numa faixa de altura de 101km, através da expressão (Reddy et al., 1987 citado por Hari et al., 1996): E ye ( 1+ α ) 2 V p Bo = (2.33) ρi cosθ onde V p é a velocidade das irregularidades na linha de visada, θ é o ângulo de elevação do feixe do radar (=60 0 ), B o é o campo de indução magnética, α = ρiρe; ρi = ν i ωi, ρe = ν e ωe. As freqüências de colisão ν i e ν e são respectivamente, de íons-neutras e elétrons-neutras. As girofreqüências ω i e ωe são de íons e elétrons. Desprezaram, ainda, o efeito do vento neutro sobre a velocidade V p, porque consideram que acima de 100km - altura em que foram feitas as medidas - sua contribuição é muito pequena. As freqüências de colisão foram calculadas segundo expressões de Banks e Kockarts (1973) e as densidades atmosféricas e temperaturas, segundo o modelo MSIS-86. O campo elétrico zonal da região F ( E yf ) foi calculado a partir de sua região inferior, com ionogramas obtidos em Trivandrum (Krishnamurty et al., 1990), com algumas suposições, chega-se à Expressão (2.34): E yf = Vd B (2.34) onde V d é a velocidade de deriva eletrodinâmica e B é o campo de indução magnética. V é determinada segundo a variação temporal de h'f ( h' F / t) d, nas condições apontadas por Bittencourt e Abdu (1981). São levadas em conta, contribuições devido a perdas químicas e erros na redução de h'f, representando erro em torno de ± 4m / s o 43

39 que significa ± 0,17mV / m para E yf. De acordo com os autores, um valor de V d de 30m/s eqüivale a um campo de aproximadamente 1mV/m, com 5 B = 3,3 10 T na região F sobre Trivandrum. Foram examinados dados de E ye e EyF em torno do período de pós-ocaso em 25 dias de equinócios do ano de 1991 e 8 dias no solstício de inverno de Nas Figuras 2.6a e 2.6b, está a variação temporal das médias de E ye e EyF. (a) Fig a) Variação temporal média de E ye (b) e EyF ( E ye e E yf ) e h'f para o solstício de inverno; b) a mesma coisa que a) para os equinócios. FONTE: Hari et al. (1996, p ). Da Figura 2.6, pode-se observar que, em geral, E ye e EyF possuem quase a mesma magnitude, antes das LMT (Local Mean Time), sendo que depois disso o campo elétrico da região F mostra o bem conhecido aumento de magnitude. O distanciamento das magnitudes entre os campos parece ocorrer mais cedo no solstício do que nos equinócios. Tal fato, de acordo com os autores, pode ser atribuído ao pôr-do- Sol ocorrer mais cedo (em regiões conjugadas da camada E) no solstício de inverno do que nos equinócios. 44

40 E yf As diferenças entre os valores dos campos médios das regiões E e F, isto é, > E ye significa que existe um intenso gradiente vertical no campo elétrico zonal, (segundo os autores, considerando as regiões E e F como um circuito simples). Para um campo cujo rotacional é nulo, isso implica num gradiente longitudinal no campo elétrico vertical (Murphy e Heelis, 1986; Farley et al., 1986; Subbarao e Krishnamurty, DERIVAS MEDIDAS COM SATÉLITES E IONOSSONDAS A equipe de estudos ionosféricos do INPE, pertencente à Divisão de Aeronomia (DAE), vem realizando estudos de derivas ionosféricas por métodos indiretos, através da redução de ionogramas. Estes são gerados a cada 15min por ionossondas analógicas ou digitais, possibilitando calcular a variação temporal da altura virtual da camada F, ou seja, h F/ t (Abdu et al., 1981a e b). Esta é a denominada velocidade aparente da deriva vertical. Segundo Batista (1985), o ideal seria utilizar o perfil de altura real para inferir as velocidades verticais usando ionogramas, entretanto, dada a complexidade do método de redução de alturas reais e a enorme quantidade de dados, isto se torna inviável para registros analógicos. Porém, com a ionossonda digital, essa tarefa de redução da altura real é informatizada. A escolha do parâmetro h F se dá em função da facilidade em sua obtenção, mesmo na presença do traço F espalhado em altura e/ou em freqüência, impossibilitando cálculos de altura real ou de alturas como hpf2 (altura virtual do traço ordinário lida na freqüência dada por 0,834 fof2). Esse método indireto de conseguir a velocidade aparente de deriva vertical ionosférica, possui uma margem de acerto muito boa, de acordo com Bittencourt e Abdu (1981). Segundo esses autores, a velocidade vertical de deslocamento aparente da camada F, determinada a partir da variação temporal de uma dada altura próxima ao pico F2, corresponde exatamente à velocidade de deriva E r B r. Para tanto deve ser aplicado em horários (entre 1800 e 2300LT) nos quais a camada refletora F alcance alturas próximas a 300km, pois abaixo desse limite, as reações de recombinação afetam muito a velocidade aparente. 45

41 Estudos comparativos de medidas de deriva ionosférica com a técnica do radar de espalhamento incoerente de Jicamarca, o satélite Atmosphere Explorer E (AE-E) e a ionossonda do observatório de Huancayo (12 S; 75,3 O), foram feitos por Fejer et al. (1996). Os autores dizem que os padrões de deriva vertical medidos pelas diferentes técnicas, geralmente estão em boa concordância, porém, ocorrem, às vezes, discrepâncias inexplicadas quanto às amplitudes das derivas. Os dados de deriva da ionossonda de Huancayo e do radar incoerente de Jicamarca constituem-se de observações simultâneas de 42 dias a partir de abril de 1968 até outubro de 1979, com índices de fluxo solar maiores que 120. Na Figura 2.7, há exemplos de velocidades de derivas verticais obtidas de observações simultâneas com os dois instrumentos. Fig Velocidades de deriva vertical obtidas em observações simultâneas do radar de Jicamarca e a ionossonda de Huancayo. φ indica o valor do fluxo solar decimétrico (F10.7cm). FONTE: Fejer et al. (1996, p ). 46

42 Como pode-se observar da Figura 2.7, as medidas de derivas com radar e ionossonda apresentam algumas diferenças de amplitude. De acordo com os autores, em média as medidas apresentam concordância para fluxos solares baixos a moderados (isto significa F10.7cm entre 120 a 140). Para atividade solar alta, os valores de deriva de radar são bem maiores que os da ionossonda, durante o equinócio e solstício de dezembro. Há mais comparações na Figura 2.8, com uma base de dados de mais de 200 dias de observação com radar e 300 com ionossonda, sendo que os valores de fluxo solar vão de moderados a altos. Os resultados foram obtidos pelas médias das derivas para índices de fluxo solar de 120 a 160 e 180 a 240. Como pode-se notar, durante o solstício de junho, as derivas de radar e ionossonda concordam melhor do que aquelas feitas durante alto fluxo solar, bem como do solstício de dezembro. Nestes períodos as derivas de radar são bem maiores que as da ionossonda. Fig Médias de derivas da região F equatorial, durante períodos com fluxos solares moderados e altos e condições magneticamente calmas. FONTE: Fejer et al. (1996, p ). 47

43 Fejer et al. (1996), ainda, concluem que as diferenças dos resultados devem-se aos diferentes intervalos de altura em que foram feitas as medidas. Além disso, as derivas verticais das camadas inferiores da região F aumentam com a altitude durante os equinócios e o solstício de dezembro próximo ao máximo solar; as derivas ao entardecer são quase independentes da altura para todos os valores de fluxo solar; acima do pico da região F, as derivas verticais decrescem com a altura independentemente de estação do ano e atividade solar. Fejer et al. (1995) possui boas ilustrações das derivas verticais equatoriais, por exemplo na Figura 2.9, são apresentados dados de derivas verticais do satélite AE-E, para diferentes níveis de atividade solar. Para 1977, o índice de fluxo solar decimétrico foi de 87; para 1978, 144; para 1979, 192. Nessa ordem, tem-se a caracterização de baixa, média e alta atividade solar. As componentes horizontal e vertical das velocidades de íon perpendiculares à velocidade do satélite foram determinadas a partir dos ângulos de chegada dos íons, com 1 correspondendo a aproximadamente 140m/s. Fig Médias sazonais das derivas verticais equatoriais do AE-E para condições de fluxo baixas (1977), moderadas (1978) e altas (1979). FONTE: Fejer et al. (1995, p ). 48

44 A altura do satélite sofreu uma variação em torno de 200km. Segundo os autores, os resultados da Figura 2.9, demonstram ausência de variação significativa de derivas da região F com a altura, e isso está de acordo com dados de Jicamarca (Pingree e Fejer, 1987). Ainda, a propósito da Figura 2.9, observa-se que as velocidades descendentes noturnas aumentam suavemente com a crescente atividade solar, mas são geralmente menores que as velocidades diurnas. O pico pré-inversão, também, aumenta de valor com a atividade solar crescente, principalmente nos meses de equinócio (março-abril, setembro-outubro). (a) (b) Fig a) Comparação de derivas verticais médias por longitude do AE-E com derivas correspondentes de Jicamarca, durante condições magneticamente calmas; b) comparações semelhantes para condições de fluxo solar moderadas a altas. FONTE: Fejer et al. (1995, p ). Outro ponto interessante de Fejer et al. (1995) é o estudo da variação de derivas verticais em função da longitude. O satélite AE-E realizou medições ionosféricas do final de 1975 até junho de Possuía órbita com 19,76 de inclinação, proporcionando 49

45 monitorização longitudinal das derivas ionosféricas em baixas latitudes. Assim, é que na Figura 2.10 há a comparação das derivas medidas pelo satélite AE-E em quatro setores longitudinais diferentes e as derivas de Jicamarca correspondentes para semelhantes condições de fluxo solar e atividade geomagnética. Fig Derivas em quatro setores longitudinais diferentes a partir do satélite AE-E (aqui, φ representa as longitudes médias de leste); são apresentados também, padrões de deriva de Jicamarca, para condições similares de atividade solar e geomagnética. FONTE: Fejer et al. (1995, p ). Da Figura 2.11, nota-se que as derivas obtidas com satélite estão em boa concordância com as derivas obtidas pelo radar de Jicamarca, durante o solstício de dezembro. A pequena dependência longitudinal, nessa estação do ano, resulta em parte por causa da sobreposição de setores longitudinais e do uso de médias de 4 meses. As 50

46 derivas com satélite não apresentam grande variação longitudinal durante os equinócios e o solstício de dezembro. Maynard et al. (1988) também realizaram estudos de derivas com satélite. Averiguaram campos elétricos meridionais (indiretamente por meio das derivas ionosféricas zonais) de baixas latitudes, durante alta atividade solar, com o satélite Dynamic Explorer 2 (DE-2). Outros pesquisadores que também utilizaram medidas de deriva desse mesmo satélite, foram Coley e Heelis (1989), para estudarem as derivas zonais e verticais em baixas latitudes. Maynard et al. (1988) utilizaram dados de campos elétricos medidos pelo Vector Electric Field Instrument VEFI a bordo do DE-2, para fazer a média dos campos elétricos meridionais, os quais estão inter-relacionados com as derivas ionosféricas zonais. Foram compilados dados de mais de 300 passagens do satélite sobre o equador. Os padrões de comportamento dos campos elétricos foram limitados em ± 30 de latitude magnética. Algumas conclusões dos autores são as de que os campos elétricos de direção descendente (derivas para leste) decrescem próximo à meia-noite e então voltam a crescer antes da inversão para oeste da deriva, entre 0400 e 0500MLT (Magnetic Local Time); campos elétricos possuem direção ascendente nas horas matinais, correspondendo a derivas voltadas para oeste. Na Figura 2.12, são apresentadas as curvas relativas às derivas leste-oeste obtidas com o radar de Jicamarca e com o DE-2. Os dados de Jicamarca são relativos a período de alta atividade solar, para aproximarem-se das condições dos dados do DE-2. Além disso, os dados de Jicamarca foram coletados numa faixa de altura de 300 a 650km, sendo que a curva dos valores médios apresentada, na figura, é para a altura de 350km. De maneira geral as derivas de Jicamarca são de 25% a 50% menores que as do DE-2. Outro ponto interessante é que ao meio-dia as curvas do DE-2 apresentam uma variação abrupta de oeste para leste, ao passo que a curva do radar de Jicamarca apresenta 51

47 comportamento mais suave. Segundo os autores, as derivas zonais de Jicamarca, tendem a apresentar uma resultante para a direção oeste. Fig Comparação entre os dados de VEFI do DE-2 e do radar de Jicamarca (Fejer et al., 1995); as curvas de 10 de latitude representam projeção em alturas típicas às em que foram feitas as medidas de Jicamarca. FONTE: Maynard et al. (1988, p ). Coley e Heelis (1989) apresentaram também interessantes resultados. Para obtêlos, utilizaram medidas do Ion Drift Meter (IDM), ou medidor de deriva de íon e aplicaram uma série de critérios de seleção, visando um bom conjunto de dados. Em termos de gráficos, por exemplo, incluem um com curvas de derivas zonais obtidas com o DE-2 e com o radar de Jicamarca, bem como de derivas medidas com o VEFI e o IDM, ou seja, seus próprios instrumentos, conforme pode-se ver na Figura Os autores utilizaram dados de 810 passagens sobre o equador para caracterizar as médias de derivas equatoriais zonais e verticais. Há boa concordância entre os comportamentos das derivas zonais registradas pelo radar de Jicamarca e pelo IDM do DE-2. Da Figura 2.13, percebe-se uma diferença que está inexplicada (pelo menos neste artigo) entre as medidas feitas pelo IDM e o VEFI, por volta das 1200SLT (Solar Local Time), isto é, 52

48 entre as derivas obtidas com o IDM e as medidas de campo elétrico feitas pelo VEFI, ambos a bordo do mesmo satélite. (a) (b) Fig a) Comparação dos dados de deriva obtidos com o IDM do DE-2 com os dados do radar de Jicamarca; b) comparação entre os dados do IDM e do VEFI, ambos pertencentes ao DE-2. FONTE: Coley e Heelis (1989, p ). 53

49 Na Figura 2.14, há uma comparação entre as medidas de deriva vertical obtidas a partir do DE 2 (entre ) e do radar incoerente de Jicamarca (Fejer et al., 1979), durante os equinócios em período de alta atividade solar entre Em geral os valores apontados pelo DE 2 são maiores que os de Jicamarca, há concordância somente entre 18 e 24h e entre 5 e 8h, quando há inversão do fluxo de deriva, respectivamente, para baixo e para cima. Os autores apontam como uma primeira causa para as diferenças encontradas nos valores obtidos a partir dos dois instrumentos, a cobertura temporal proporcionada pelo satélite, a qual compreende uma faixa completa de estações do ano enquanto que os dados de Jicamarca cobrem somente uma estação do ano. Uma segunda causa é que Fejer et al. (1979) mostraram variação da deriva vertical com a atividade solar e assim possivelmente as diferenças observadas representem as verdadeiras diferenças entre as derivas verticais medidas em dois períodos de máxima atividade solar. Fig Comparação das medidas de deriva vertical obtidas a partir do DE 2 e do radar de espalhamento incoerente de Jicamarca, Peru. FONTE: Coley e Heelis, (1989, p ). 54

50 Maynard et al. (1995) analisaram os dados de campo elétrico obtidos com o satélite San Marco D, para chegar a um padrão médio de comportamento dos campos elétricos zonais e meridionais e suas correspondentes derivas zonais e verticais. Algumas conclusões às quais chegaram os autores, são as seguintes: a velocidade de deriva zonal para oeste é maior durante condições de alta atividade solar do que em baixa atividade solar; há pouca variação dos valores de derivas zonais e verticais com relação a atividade magnética (ou ao índice Kp); os valores de velocidade de deriva para oeste, durante o dia, no solstício de junho são maiores que os de equinócio; a deriva vertical no equinócio, por sua vez, é maior em magnitude tanto durante o dia como durante a noite; detectaram diferenças longitudinais significativas com relação às velocidades de deriva zonal e vertical, durante o solstício de junho. Apontam, também, diferenças entre os setores indiano e peruano: a velocidade vertical de deriva é maior sobre quase todo lado do dia no setor indiano do que em outros setores. E o fluxo zonal é menor sobre o setor indiano do que sobre o peruano, durante a noite. Além dessas conclusões, um outro ponto interessante diz respeito à dependência das derivas com o ciclo lunar. Os autores dizem que as fases lunares têm influência sobre as velocidades de deriva, especialmente durante o dia. Sugerem que existem várias interações com os campos elétricos das regiões E e F e sua dependência com a latitude. Mas, devido à limitação do conjunto de dados a correlação entre causa e efeito ainda é difícil. Propõem, ainda que o desvio entre o equador magnético e o geográfico desempenham importante papel no desenvolvimento local de derivas iônicas. 2.5 MEDIDAS DE DERIVAS IONOSFÉRICAS COM IONOSSONDAS E COMPARAÇÕES COM MODELOS Com relação a modelos computacionais, no trabalho de Batista et al. (1986) são analisadas as assimetrias longitudinais e sazonais das derivas verticais sobre Huancayo (Peru) e Fortaleza (Brasil), durante período de máxima atividade solar. As assimetrias são interpretadas por meio de um modelo computacional de processo de acoplamento eletrodinâmico das regiões E e F. Na Figura 2.15, há uma comparação entre as médias 55

51 mensais das derivas verticais inferidas da relação h' F t (após Abdu et al., 1981a e Bittencourt e Abdu, 1981) a partir de ionogramas de Huancayo e Fortaleza, referentes a período de um ano (de outubro 1978 a setembro de 1979). Pode-se notar que as amplitudes de velocidade de deriva vertical da camada F (Vz) em Fortaleza, em geral são maiores que as de Huancayo. Além disso, o aumento pré-inversão é maior para os meses equinociais (outubro, novembro, março, abril de 78 e setembro de 79) e de verão (janeiro, fevereiro de 79 e dezembro de 78) e menor para os meses de inverno (junho, julho e agosto de 1979) tanto em Fortaleza como em Huancayo. Somente durante dois meses (agosto e setembro de 79) o aumento pré-inversão em Huancayo é maior que Fortaleza. Segundo Batista et al. (1986), na Figura 2.15, é bem visível o efeito sazonal. Em Huancayo o pico de Vz ocorre mais cedo no inverno e mais tarde no verão. Já em Fortaleza, o pico de Vz ocorre mais cedo no verão e mais tarde nos meses de inverno. Fig Médias mensais de deriva vertical na região F sobre Huancayo e Fortaleza com velocidades obtidas através da relação registrados no horário do crepúsculo. FONTE: Batista et al. (1986, p ). h' F t, a partir de ionogramas 56

52 Batista et al. (1986) sugerem que o comportamento apresentado pelas derivas verticais entre as localidades, na Figura 2.15, deve-se principalmente a diferenças nas declinações magnéticas das localidades. Na Figura 2.16 do mesmo texto, são apresentados tanto os resultados obtidos pela variação temporal de h'f ( h' F t ) como os calculados através de um modelo numérico para a deriva vertical o qual foi baseado no modelo de Heelis et al. (1974). Nesse modelo foi levada em conta a variação da condutividade ao longo de linhas de campo entre regiões E conjugadas. A variação das condutividades acontece por haver variação sazonal do ângulo entre a linha do terminador (linha que separa o setor iluminado pelo Sol do setor crepuscular) e a linha do meridiano magnético em ambas as localidades. Assim, pode-se notar que o máximo pré-inversão ocorre mais cedo em dezembro e mais tarde em junho sobre Fortaleza. A simulação M1 mostra o mesmo comportamento relativo, apesar de que somente em junho são coincidentes os picos entre os horários de ocorrência observado e calculado. A simulação M2 mostra que o comportamento do pico pré-inversão é mantido, ou seja, ocorre mais cedo em dezembro e mais tarde em março. Fig Comparação entre as derivas verticais calculadas a partir de ionogramas e as simuladas a partir dos modelos M1 e M2, sobre Fortaleza e Huancayo. FONTE: Batista et al. (1986, p ). 57

53 Batista et al. (1996) analisaram dados de deriva obtidas a partir de medidas de ionossonda sobre o setor longitudinal brasileiro, próximo ao ocaso e os compararam aos dados de deriva por satélite, feitos em outras localidades por Fejer et al. (1995), conforme pode-se observar na Figura Foi proposto um modelo de deriva ionosférica vertical representativo da região sobre as longitudes brasileiras. No trabalho de Batista et al. (1996), esse modelo é usado como entrada para o modelo chamado Sheffield University plasmasphere-ionosphere model (SUPIM) (Bailey et al., 1993). Fig Comparação entre resultados do modelo de deriva vertical de plasma obtido para região equatorial brasileira em torno do crepúsculo e medidas de satélite, para períodos de alta e baixa atividade solar. FONTE: Batista et al. (1996, p ). 58

54 Segundo os autores, a diferença de declinação magnética entre as localidades (em torno de -20 sobre locações equatoriais brasileiras e, 2 E, sobre Jicamarca) produz diferentes efeitos que devem ser levados em conta, para melhor simular a ionosfera sobre a região brasileira. Portanto o modelo proposto é mais adequado à simulação da ionosfera sobre Fortaleza do que o modelo de deriva por satélite. 59

55 CAPÍTULO 3 IONOSSONDAS DIGITAIS: PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO E APLICAÇÕES Como um instrumento pioneiro, as ionossondas analógicas firmaram-se nos estudos ionosféricos. Aliás, conforme já é muito divulgado no meio científico especializado, desde meados da década de 20, são realizados estudos dessa natureza. Hargreaves (1992), por exemplo, faz um interessante apanhado histórico em sua obra. Segundo o autor, desde o século 19 já se cogitava a hipótese de existência de camadas eletrificadas na alta atmosfera. Marconi foi quem fez as primeiras transmissões de sinais com ondas eletromagnéticas. Em 1901, transmitiu sinais que partiram da Cornuália (Inglaterra) para Terra Nova (Canadá). Independentemente um do outro, Kennelly e Heaviside sugeriram a existência de uma camada refletora ionizada, a qual havia possibilitado a transmissão e recepção dos sinais de Marconi, apesar da curvatura da Terra. Mais tarde, em 1924, o método de sondagem ionosférica por pulsos foi utilizado por Breit e Tuve. 3.1 MÉTODO DE SONDAGEM COM ONDAS DE RÁDIO Valendo-se do princípio de refração, a ionossonda utiliza ondas pulsadas de alta freqüência. Em geral, uma faixa de 1 a 20MHz é rastreada nessas sondagens. Para um modelo simplificado, se desprezarmos os efeitos do campo geomagnético, bem como as colisões entre elétrons e partículas neutras, o índice de refração do plasma ionosférico pode ser expresso da seguinte forma (Ratcliffe, 1962): f 1 µ = X = N (3.1) f X é expresso por: 2 N e X = e (3.2) 2 2 4π εomf 61

56 onde N e é a densidade eletrônica; m, a massa eletrônica; e, a carga eletrônica; ε o, a permissividade elétrica do vácuo; f N, a freqüência do plasma e f, a freqüência da onda. Inicialmente µ = 1 já que abaixo da ionosfera N e é nulo e, por conseqüência X = 0. A partir do ponto que X>0, devido à presença de elétrons livres, o índice de refração tende a ficar cada vez menor, até anular-se e, assim, o meio provoca a reflexão da onda incidente, logo: 2 µ = 1 X = 1 2 fn f 2 2 f N = f (3.3) e, portanto, 2 2 N e f e N = = 2 4π εom 2 f (3.4) Assim, conhecendo-se os valores das constantes e da freqüência transmitida f, a densidade eletrônica é calculada. E, dessa forma, é que são levantados os perfis de densidade eletrônica. Para um modelo mais fiel à situação real do índice de refração de um meio ionizado em presença de campo magnético, há a conhecida equação de Appleton-Hartree: ( 1 X ) 2 2X µ = 1 (3.5) ( 1 X ) YT ± [ YT + 4( 1 X ) YL ] onde ebl, T YL, T = (3.6) 2πmf e 62

57 eb = 2πm f H (3.7) nessas equações, B L, T são as componentes do campo magnético na direção longitudinal (paralela) e transversal (perpendicular) à normal da onda; f H é a girofreqüência, a freqüência natural na qual elétrons livres circulam em torno das linhas de campo magnético. Da Equação (3.5), as soluções positiva e negativa da raiz quadrada demonstram a possibilidade de existência das componentes de onda ordinária e extraordinária. Quanto maior é a freqüência de sondagem, mais alta a camada refletora. Davies (1966) e Kelso (1964) citado por Basu et al. (1985) fazem análise detalhada sobre o assunto. 3.2 ALGO MAIS SOBRE IONOSSONDAS E UM BREVE HISTÓRICO As ionossondas analógicas foram (e ainda são em algumas estações de observação) instrumentos de uso muito difundido. Seu razoável baixo custo de manutenção e boa aplicabilidade tanto como instrumento de pesquisa como de monitorização das condições ionosféricas, consagraram-na como o instrumento científico de medidas da ionosfera por excelência. A ionossonda fornece o levantamento do perfil de densidade eletrônica em função da freqüência de sondagem. Como já foi mencionado no Capítulo 2, a equipe da Divisão de Aeronomia do INPE vem realizando estudos de derivas ionosféricas verticais, a partir da relação h'f/ t a qual, por sua vez, é obtida com os ionogramas gerados a cada 15min, atualmente, pela ionossonda digital DGS256. Anteriormente à utilização das ionossondas digitais (DGS256 e CADI), eram as ionossondas convencionais as responsáveis pelos registros em ionogramas que ainda são algumas vezes utilizados. Inclusive, valendo como um registro histórico, em Natal, em 1967, operou uma ionossonda que era da Marinha e posteriormente foi doada ao INPE. Esta ionossonda foi transferida para Fortaleza, onde começou a operar em julho de 1975 e foi até janeiro de Por volta de 1971 havia uma outra ionossonda operando em São José dos Campos. Em julho de 1973, esta ionossonda foi transferida para Cachoeira Paulista, 63

58 onde funcionou até 1990, sendo então transferida para São Luís e usada em algumas campanhas até No início da Campanha Guará (ocorrida no período de agosto a outubro de 1994, em Alcântara, próximo a São Luís) ainda foi utilizada esta ionossonda. De modo geral os ionogramas registrados por essas ionossondas estão de 15 em 15 min. Somente entre 87 e 90 os dados estão de hora em hora (devido a falta de recursos financeiros na época, havia pouco estoque de filmes para registro dos ionogramas), a não ser em campanhas especiais nas quais funcionavam a cada 15min e algumas vezes até a cada 5min. Em, 1990 foi instalada uma Digissonda DGS256 em Cachoeira Paulista. No final de agosto de 1994, esta Digissonda foi deslocada para São Luís onde iniciou operações em 09/09/1994. Até outubro de 1994, essa DGS256 efetuava somente sondagem vertical, a partir de então passou a funcionar também no modo de deriva, o qual será explicado posteriormente. No mesmo ano, no final de setembro, uma CADI foi instalada em Fortaleza. Esta apresentou danos em 1996, porém já consertada, reiniciou operação em abril de Em fevereiro de 1996, foi instalada uma outra DGS256 em Cachoeira Paulista. Em novembro de 1997, um problema alfandegário impedia a entrada de válvulas de operação para as DGS256. Somente no início de 1998 é que puderam ser repostas, em Cachoeira Paulista, com a liberação da alfândega, as válvulas necessárias para o bom funcionamento do instrumento. Atualmente, todas as ionossondas analógicas do INPE foram substituídas por ionossondas digitais as quais estão em plena atividade e, ao que parece, funcionando a contento. 3.3 IONOSSONDAS DIGITAIS Descrição Geral do Equipamento As ionossondas digitais são um resultado do avanço tecnológico sobre as ionossondas convencionais (ou analógicas). Todo o controle digital sobre o processamento e armazenagem dos conjuntos de dados bem como, a ampliação no número de parâmetros observáveis, tornam-nas instrumentos versáteis e, tal como as antigas ionossondas, instrumentos de manutenção relativamente barata. 64

59 As Digissondas DGS256 instaladas em São Luís e Cachoeira Paulista operam como radares de alta freqüência. Em geral, uma antena log-periódica tipo delta, é utilizada para transmissão pulsada que pode cobrir, segundo o fabricante, freqüências de 0,5 a 30MHz. Desenvolve potência de pico de até 10kW. Segundo Reinisch et al. (1989), sondagens oblíquas também podem ser efetuadas. Descrições com maiores ou menores detalhes a respeito das características das Digissonda DGS256 e da Digital Portable Sounder (DPS), podem ser encontradas, por exemplo, em Bibl e Reinisch (1978), Bibl et al. (1981), Reinisch (1986), Reinisch et al. (1989), Reinisch (1992), Bullett (1994) e num documento produzido pelo Centro de Pesquisas Atmosféricas da Universidade de Lowell (1997). Neste capítulo são citadas várias passagens do texto de Bullett (1994), uma vez que este autor, juntamente com os seus predecessores, desenvolveram com propriedade a descrição do funcionamento do instrumento. Para recepção dos sinais de eco refletidos pelas camadas da ionosfera há um conjunto de 4 ou 7 antenas de espiras transversas. De acordo com Bullett (1994), a forma de espira das antenas é utilizada devido à sua performance em terra. Préamplificadores ligados a cada elemento de espira de cada antena, permitem deslocar a fase do sinal captado de +90 a -90 antes da soma com o sinal do outro elemento de espira, tornando possível distinguir entre ondas circularmente polarizadas à esquerda e à direita e, portanto, entre os modos ordinário e extraordinário. Na Figura 3.1, temos fotografias da antena transmissora e de uma das antenas receptoras, pertencentes à Digissonda DGS256 de São Luís, no Maranhão. 65

60 (a) (b) Fig Fotografias a) de uma das antenas do arranjo de recepção de sinais de eco refletidos pela ionosfera e b) da antena transmissora; ambas em São Luís, MA. FONTE: Acácio Cunha Neto. A DGS256 é constituída por um chassi o qual contém o sintetizador de freqüência, o transceptor, o analisador espectral, unidades de tempo curto, o computador controlador e o computador de saídas (Bibl et al., 1981). O controlador de processamento é o cérebro do sistema da Digissonda. Todas as funções de controle estendem-se a partir dele para o resto do sistema e o pré-processamento inteiramente digital dos dados é feito ali, incluindo a transformada de Fourier discreta (Bibl e Reinisch, 1978). Na Figura 3.2, há uma fotografia da Digissonda de São Luís. 66

61 Fig Fotografia da Digissonda DGS256, de São Luis do Maranhão. FONTE: Acácio Cunha Neto. O Comutador de Antenas (antenna switch), fornece energia para os préamplificadores das antenas. Recebe os sinais de todas as antenas receptoras e proporciona uma saída simples para o receptor (receiver) com possibilidade de dois modos distintos. No modo de sinais dirigidos, os sinais do arranjo de antenas são deslocados em fase ou retrasados, usando-se vários comprimentos de cabos coaxiais e então somados eletronicamente. No modo de deriva, o sinal da antena é enviado diretamente para o receptor, dessa forma mede-se individualmente a fase e amplitude do sinal captado de cada antena do arranjo. A maior parte das informações sobre detalhes da DGS256 podem ser encontradas em Bullett (1994). A Fonte de Potência de Pulso distribui energia para a Digissonda. Circuitos monitoram o fluxo de potência e interrompem-no caso haja flutuações potencialmente 67

62 danosas para a aparelhagem. O chassi de Linha de Retardo consiste de um banco de capacitores, estes são descarregados em um grande transformador, produzindo um pulso de alta voltagem para o Amplificador de Potência Final. A forma do pulso de potência é controlada por indutores da Linha de Retardo. Dependendo do número de capacitores carregados a duração dos pulsos pode ser de 66µs ou de 130µs. O Amplificador de Potência Final é constituído por um dispositivo de sete pares de válvulas em paralelo para produzir os já mencionados 10kW de potência de pico. O Excitador possui pré-amplificadores que fornecem 100W de potência de rádio freqüência (RF) para excitar o Amplificador de Potência Final. O Processador/Transceptor, geralmente chamado somente de Processador, consiste de 36 cartões de circuito e fontes de potência, todos compartimentados em uma gaveta do chassis da DGS256. Os 36 cartões subdividem-se em áreas funcionais, a saber, controle, cronometragem básica, processamento de sinal digital, síntese de freqüência, transceptor e saída de dados. Um oscilador de cristal de quartzo controla a sincronização de tempo do circuito (Bullett,1994). O transceptor simples do Processador é composto por um sintetizador de freqüências, uma seção de freqüência intermediária e duas seções de rádio-freqüência. Segundo Bibl e Reinisch (1978) o transceptor é, também, o processador analógico de sinal e é comandado por sinais digitais do controlador de processamento. As seções de RF, uma cobrindo de 0,5 a 4MHz e a outra de 4 a 30MHz, são compostas por uma série de estágios de ganho selecionável e filtros de freqüência variável. O computador de entrada controla integralmente a operação do Processador, fazendo a varredura da cronometragem, data e programação de operações. O computador de entrada inicia todos os ionogramas e medidas de deriva. Especifica, primeiramente, informações sobre freqüência de sondagem, freqüência de repetição de pulso, seqüência de antenas receptoras, parâmetros de integração espectral e número de pulsos, depois inicia uma medição. Os circuitos de processamento de sinal e 68

63 cronometragem então realizam a sondagem indicada e transferem os dados para o computador de saída. Essa seqüência é repetida para cada freqüência no ionograma. A seção de processamento de sinal, também conhecida como Correlador Complexo Central (Central Complex Correlator - CORE) digitaliza a saída do receptor e efetua a análise espectral de tempo real, usando uma transformada de Fourier discreta implementada no hardware. Os códigos de computador (ou softwares, segundo Bibl et al., 1981) para o microprocessador são armazenados e acessados como firmwares em Programmable Read Only Memories (PROMs) nos cartões de circuito 02 e Descrição do Sistema de Aquisição e Pré-processamento de Dados Do computador de saída, depois de cada integração coerente, o espectro digital multi-canal de fase e amplitude é transferido para o processamento pelo Automatic Real- Time Ionogram Scaler with True-height (ARTIST), o qual é uma coleção de programas que rodam em computador pessoal IBM-compatível. O espectro do Processador é, então, analisado e arquivado em fitas magnéticas. A primeira função do ARTIST é produzir parâmetros de ionograma reduzidos a partir da potência de sinal versus dados de altura e freqüência do ionograma - parâmetros reduzidos de freqüência (fof2, fof1, foe, foes etc.), de altura (h'f, h'e, h'es etc.), fatores de propagação oblíqua (MUF, M3000) bem como a curva h'(f) de altura virtual versus freqüência (Reinisch e Huang, 1983 citado por Bullett, 1994). Esses dados de ionogramas reduzidos, muitas vezes não têm gerado bom aproveitamento. A equipe da Linha de Pesquisa IONO do INPE vem percebendo que, apesar do conjunto dos dados de ionogramas serem bons, e estarem sendo bem aproveitados para vários estudos, quase sempre necessitam da intervenção manual corretiva, durante o pósprocessamento, efetuado por um software de editoração dos arquivos de dados gerados pelo ARTIST. Este software chama-se ARTIST Data Editing and Printing (ADEP). Ele permite editar a curva de altura virtual x freqüência de sondagem, traçada pelo ARTIST. Essa curva, por exemplo, tem a tendência de guiar-se pelo traço extraordinário ao invés 69

64 do traço ordinário, como deveria ser. Não se tem ainda explicação razoável para este comportamento por parte do software. Dessa forma, apesar da informatização no tratamento dos dados de ionograma, continua sendo necessário, conforme já dito, intervenção manual dos operadores, para poder aproveitar os dados reduzidos em análises, estudos e conseqüentes resultados para trabalhos científicos. A DGS256 trabalha em diferentes modos, a saber, de ionograma, de deriva e de freqüência fixa. No modo de ionograma é feita a varredura de freqüência, em geral de 1 a 20MHz, com incrementos que podem variar entre 5, 10, 25, 50, 100 ou 200kHz. O tempo de permanência em cada freqüência determina a resolução Doppler da transformada de Fourier discreta e deve ser apropriadamente selecionado para diferentes condições ionosféricas (Reinisch et al., 1989). Em geral, o tempo de permanência está entre 0,5 a 2,0s, estabelecendo resolução Doppler entre 2,0 a 0,5Hz. Depois de operar no modo de ionograma o próprio ARTIST ao estar executando o processamento dos dados, seleciona entre 1, 2 ou 4 pares freqüência-altura que apresentem melhor relação sinal/ruído, através de um programa denominado AutoDrift. E, então entra em operação o modo de deriva. Os pares freqüência-altura (PFAs) selecionados pelo programa, estão sempre bem abaixo da freqüência crítica da camada F e, portanto, não são afetados pelas interpretações equivocadas do sistema ARTIST. No modo de deriva, a DGS256 efetua medidas e processamento dos espectros de amplitude e fase de ecos (daquelas freqüências previamente escolhidas) captados pelo arranjo de 4 ou 7 antenas. No caso de São Luís, são 4 antenas receptoras Método de Processamento de Dados de Deriva Para a aquisição de dados de deriva ionosférica, ou seja, a técnica de deriva utilizada, é interessante definir o conceito de fonte. De acordo com Bullett (1994), o termo fonte, refere-se à onda refletida de volta para o conjunto de antenas receptoras e, não somente, ao ponto no espaço responsável pela reflexão. Segundo ele, ainda, uma 70

65 fonte pode ser encarada de três maneiras equivalentes: uma onda plana que se propaga do seu ponto de reflexão aparente, na ionosfera, para o conjunto de antenas de recepção; o conjunto de parâmetros observáveis da onda plana, medidos pela Digissonda; ou o conjunto de características da onda relevantes para o cálculo dos vetores velocidade. Os sinais refletidos pela ionosfera são captados pelo conjunto de antenas receptoras e separados nas componentes O e X (ordinária e extraordinária). Esses sinais, ou ondas, induzem voltagens nas antenas. Essas voltagens são convertidas em séries temporais, por transformadas de Fourier discreta, as quais são efetuadas pelo Processador. Se o conjunto de recepção possui 4 antenas, então são gerados 4 espectros complexos para cada conjunto de medidas de 5 ou 10s (Scali et al., 1995a). As distâncias entre as antenas receptoras são pequenas se comparadas à distância de cada uma delas ao ponto aparente de reflexão. Então, o sinal refletido é considerado uma onda plana com vetor número de onda r k. Este vetor, por sua vez, é considerado o mesmo para todas elas. O processo de determinação do ponto aparente de reflexão, valese de fases medidas e das localizações de cada uma das antenas do arranjo. Supondo que os vetores de posição de duas antenas i e j sejam r r i e r r j e sabendo que para cada fonte, há uma linha espectral para cada antena, com fase φ a, dada por: r a k r φ = a (3.8) onde o índice a representa o número da antena (1, 2, 3 ou 4, por exemplo) e r r a, o vetor posição de antena em relação a antena 1 (Scali et al., 1995b). O vetor r k, pode ser calculado a partir da expressão (3.9): r r r r r φ ij = φi φ j = k ( i j ) = k ij (3.9) se houver ao menos 3 antenas receptoras, dispostas ortogonalmente entre si. O número de diferenças de fase disponíveis para um conjunto de antenas com N elementos é a função de combinação C 2 N (Bullett, 1994). 71

66 Na Figura 3.4, há um esquema exemplificando a situação para duas antenas, bem como os vetores que aparecem nas expressões a seguir. Fig Esquema representativo da situação de duas antenas receptoras, durante a chegada de um eco. FONTE: Bullett (1994, p. 104). O módulo do vetor número de onda r k, é dado por: 2π k r = (3.10) λ Uma onda transmitida com freqüência f o e captada com freqüência f 1 experimenta um desvio Doppler de: fd = f 1 f o (3.11) O módulo do vetor número de onda do sinal captado pode ser considerado igual ao do emitido, já que a razão entre as freqüências f d e f o é comumente menor que Assim, temos: r k = 2π 2πf 2πf = 1 o λ c c (3.12a) 72

67 E a velocidade na linha de visada (V ldv ) pode ser expressa por: Vldv c f = d (3.12b) 2 fo onde c representa a velocidade da luz. Para um conjunto de 7 antenas, temos 21 termos de diferença de fase e de vetores de posição relativa. No caso de 4 antenas temos 6 desses termos. Um ajuste por mínimos quadrados é usado para estimar k r e aplicado à Equação (3.9) (Scali et al., 1995b). Seja M o número de termos de diferença de fase e de pares de antenas, logo: M M 2 1 ε = M j= 1 jj= j+ 1 r r r 2 [ k ( ) ( φ φ )] jj j M 2 1 ε = ( kx x jj, j ky y jj, j kz z jj, j φ jj, j ) 2 (3.13) M jj, j jj j Efetuando as derivadas de ε 2 com relação a k x e k y, igualando-as a zero e, além disso, considerando que o conjunto de antenas está no plano x-y, então o termo z jj, j é nulo. Vem daí: onde [ ] * [ ][ K ] = [ φ ] A (3.14) 2 x x y A = ; (3.15) 2 x y y k K ; (3.16) ky x [ ] = φ x [ ] = φ * (3.17) φ y 73

68 Resolvendo esse conjunto de matrizes para k x e k y temos: k x = k y = 2 ( y φ x x y φ y) D 2 ( x φ y x y φ x) D ; (3.18) ; (3.19) ( x ) 2 D = x 2 y 2 y (3.20) A componente k z, por sua vez é obtida através do módulo de k r e, também de k x e k y, como segue: kz 1 2 r = k kx ky (3.21) A direção de k r é normal à frente de onda e seu sentido o da propagação da onda. A direção aparente da fonte ou vetor na linha de visada é a do versor radial a r r que possui mesma direção e sentido oposto ao do vetor k r, ou seja: r a r r k = r (3.22) k E que também é descrito pelo ângulo expressões (3.23): zenital e o ângulo azimutal, conforme as kz k y cosθ = r ; tgψ = (3.23) k kx Ainda, segundo Bullett (1994), uma vez calculado k r, substituindo-o na Equação (3.13), é possível saber se ele está ajustando-se bem ao padrão de fase medida no conjunto de antenas. Grandes valores de ε 2 evidenciam um ajuste ruim que pode ser atribuído a uma suposição incorreta, por exemplo a de que as antenas são eletricamente 74

69 idênticas, ou que a relação sinal/ruído é suficientemente boa. Então essa fonte não deve ser usada. Do processamento dos dados de deriva foi descrito, até este ponto, o método para localização de fonte. Devemos também tratar sobre o cálculo do vetor velocidade. Então, depois que as fontes são localizadas, elas podem ser utilizadas, agora, para determinação das componentes de velocidade de deriva ionosférica. Partindo da relação: r V aˆ s = V s (3.24) onde r V é a velocidade do plasma ionosférico, $a s é o versor posição de localização da fonte s e V s, a velocidade da fonte na linha de visada. São necessárias no mínimo três velocidades na linha de visada, para calcular a velocidade do plasma ionosférico. Aplicase então, um ajuste ponderado de mínimos quadrados à Equação (3.24), onde w s representa fatores de ponderação não negativos, temos, para cada uma de S fontes (Bullett, 1994): onde [ w ( V aˆ V )] S 1 r 2 s s s 2 S ε = s= 1 (3.25) S ws s= 1 aˆ s = xsaˆ x + ysaˆ y + zsaˆ z r (3.26) V = Vxaˆ x + Vyaˆ y + Vzaˆ z Substituindo-se em (3.25), obtém-se: [ w ( V x + V y + V z V )] S 1 2 s x s y s z s s 2 S ε = s= 1 (3.27) S ws s= 1 75

70 É importante salientar que a velocidade do plasma ionosférico é suposta uniforme no espaço orientado pelo vetor na linha de visada, durante o período de tempo necessário para as medições. Além disso, os fatores de ponderação são determinados com base nas características da fonte e, estas, usualmente, são sua amplitude e o deslocamento Doppler. Aplica-se então o mesmo tratamento que aquele dado ao vetor posição da fonte. Isto é, da condição de mínimo da derivada de ε 2 com relação às componentes da velocidade do plasma ionosférico desconhecida, chegando a uma equação matricial dada por: 2 wsxs wsxs ys w sxszs ws xs ys 2 ws ys ws yszs w sxszs Vx wsvsxs w = s yszs Vy wsvs ys 2 w szs V z wsvs zs (3.28) E, finalmente, a velocidade do plasma ionosférico é obtida com a inversa da matriz quadrada contendo termos da fonte, multiplicada pela matriz coluna contendo dados da velocidade na linha de visada: [ S ][ V ] = [ L] 1 [ V ] [ S] [ L] = (3.29) Para calcular o vetor velocidade, é caracterizado um processo estatístico de uma distribuição de velocidades, ao invés de um cálculo único (Scali et al., 1995b). Primeiramente é escolhido um intervalo de cálculo de velocidade. O período mais curto de tempo para o qual a velocidade pode ser calculada tem duração de um "caso simples de deriva" (single drift case) que é geralmente de 10, 21 ou 42s. Um "caso de deriva" (drift case) compreende um conjunto de "subcasos" de deriva (drift subcases) todos medidos simultaneamente. Convém definir que um subcaso de deriva é um espectro de tipicamente 64 linhas Doppler, para cada antena, de um par freqüência-altura. As 76

71 velocidades são calculadas para cada grupo de caso de deriva, um grupo é uma classe de conjuntos de deriva medidos seqüencialmente sem interrupção (Bullett, 1994). Um número inicial de fontes é escolhido, satisfazendo alguns critérios tais como erro na localização de fonte, sinal insuficiente, ou baixa relação sinal/ruído, por exemplo. Esses critérios são escolhidos no arquivo ODDAMENU.ONL, no pacote Digisonde Drift Analysis (DDA). As três melhores fontes são usadas para a primeira estimativa de velocidade individual, usando as equações (3.28) e (3.29) (o número de melhores fontes também pode ser escolhido no ODDAMENU.ONL). A essa primeira estimativa de velocidade é somada outra fonte e, então uma nova estimativa é calculada. Assim, prosseguem os cálculos até que todas as fontes escolhidas estejam incluídas. Resulta assim uma média de distribuição de velocidades. Até este ponto, foi descrito o modo de processamento dos dados obtidos com a DGS256. Cabe aqui tratar sobre a outra ionossonda digital em operação na localidade de Fortaleza, conforme já foi dito anteriormente, a ionossonda CADI. A documentação desse instrumento ainda está em fase de elaboração, não havendo, portanto, material literário aprofundado disponível até o momento. Porém, um pequeno texto de caráter promocional intitulado Canadian Advanced Digital Ionosonde (1994) nos dá algumas informações a respeito do suporte de máquinas e instrumentos necessários para a sua instalação e funcionamento, fazendo também uma descrição dos modos de funcionamento e aplicações. No que diz respeito ao processamento de dados de deriva utilizado pela CADI, segundo Dr. J. MacDougall, da Universidade de Western Ontario, no Canada, a ionossonda digital CADI utiliza método baseado na mesma técnica de processamento de dados de deriva ionosférica efetuado pela DGS256. Então por falta de material literário a respeito do instrumento, a informação dada por Dr. MacDougall, já é de grande valia para nós. E creio ser suficiente a descrição feita para a Digissonda DGS256. O programa computacional utilizado no pós-processamento dos dados de deriva o qual utiliza o sistema Interactive Data Language (IDL), foi conseguido recentemente pelo Prof. Dr. M. A. Abdu junto ao 77

72 Dr. J. MacDougall. Esse software de pós-processamento dos dados de deriva, não está incluído ainda no pacote comercial do produto Pós-processamento dos Dados Seguindo uma ordem no tratamento dos dados de deriva ionosférica com a DGS256, a primeira (aquisição de dados) e segunda (decodificação desses dados) partes tratadas na seção 3.3.3, dizem respeito ao pré-processamento dos dados. Ou seja, como são adquiridos e arquivados os dados de ionogramas e derivas ionosféricas em fita magnética, na etapa de sondagem. Cabe neste ponto, descrever como foi feito o pósprocessamento dos dados gravados em fita magnética pela Digissonda. Descrições mais detalhadas sobre o modo de operação dos programas podem ser encontradas em Scali et al. (1995b). Procura-se fazer aqui, uma descrição geral dos procedimentos, juntando comentários sobre alguns pontos, para este trabalho facilitar o uso do pacote DDA, servindo posteriormente como fonte mais acessível de informação. Os dados de ionogramas e derivas são gravados em fita streamer. Existem arquivos com extensão *.MMM, *.ART e *.DFT. O primeiro traz informação sobre ionogramas e velocidades de deriva, o segundo e o terceiro, mais especificamente sobre parâmetros de ionogramas e informações relacionadas às velocidades de deriva, respectivamente. Para os estudos deste trabalho interessaram mais os de extensão *.DFT. O pós-processamento dos dados de deriva pode ser feito da leitura direta da fita ou de arquivo gravado no disco rígido. Para tanto há um pacote de programas denominado Digisonde Drift Analysis (DDA). Este pacote é instalado dentro de um diretório de mesmo nome, na raiz. Neste diretório há o arquivo ODDAMENU.ONL, o qual constitui-se de um conjunto de códigos com valores numéricos opcionais. Cada código é antecedido de um pequeno texto explicativo sobre as suas opções numéricas, sendo que estas controlam o pós-processamento efetuado pelos programas executáveis do pacote. Se a leitura for diretamente feita da fita com o pacote DDA, o DDAS.EXE é o primeiro programa a ser rodado no pós-processamento dos dados de deriva. Ele busca 78

73 informações a respeito de alguns critérios para, por exemplo, a filtragem ou seleção do número de conjuntos de deriva a se processar, datas de início e final de leitura de dados; através dos códigos específicos, segundo os quais os dados gravados em fita, serão processados e os resultados armazenados, dessa vez, em um arquivo com extensão *.SKY bem como, um arquivo de controle de qualidade do funcionamento das antenas, o QUCNTRL.DAT. A leitura de dados a partir do disco rígido, necessita uma etapa a mais. E há duas maneiras de fazê-la. Uma primeira maneira pode ser como a que segue: é necessário rodar o programa ADEP no ambiente DOS; dentro deste programa existe uma opção Library dentro da qual escolhem-se os tipos de arquivos da fita que se deseja guardar no disco rígido. Escolhem-se arquivos com os três tipos de extensão (MMM, ART e DFT), determinam-se as datas desejadas para início e final da leitura dos dados. Na caixa "output source", cria-se o arquivo DRIFT0.DFT. Roda-se o programa, e os dados de saída vão sendo armazenados nesse arquivo. Somente o arquivo assim nomeado e dentro do diretório DDA, pode ser executado posteriormente pelo DDAS.EXE, quando a leitura é feita a partir do disco. Para optar-se pela leitura do disco ou da fita, é necessário alterar um código do ODDAMENU.ONL (código 010). Uma segunda maneira é utilizar um software desenvolvido pelo Dr. T. Bullett e chamado txq.exe, instalado dentro do subdiretório TEMP, dentro do diretório ADEP. Esse programa é executado via DOS e gera arquivos com extensão *.TAP, os quais contêm informação de ionograma, ARTIST e deriva separadamente para cada dia. Posteriormente cada um desses arquivos deve ser movido para o diretório DDA e renomeado como DRIFT0.DFT, para que possa ser processado o programa DDAS.EXE. Como da maneira anterior, o código 010 do arquivo ODDAMENU.ONL deve estar com valor 2, ou seja, leitura de dados a partir do disco. A vantagem de fazer a leitura de dados a partir do disco é a rapidez no processamento dos dados. Atualmente as fitas streamer estão sendo substituídas por CDs, permitindo armazenar maior volume de informação e maiores agilidade e rapidez no pós- 79

74 processamento dos dados. Nossa equipe ainda vem trabalhando com as fitas streamer, mas já está estudando a hipótese de implementação de registro e leitura de dados em CD. Depois de rodado o DDAS.EXE, o segundo passo no processamento dos dados de deriva é rodar o DDAV.EXE. Este, da mesma forma, é controlado pelos códigos com valores opcionais do ODDAMENU.ONL, porém, não processa os dados gravados em fita e, sim, os dados do arquivo de extensão *.SKY que fora gerado anteriormente pelo DDAS.EXE. Então ele gera um arquivo de extensão *.VEL. Na Figura 3.4, há um pequeno diagrama esquemático dos programas e arquivos trabalhados no DDA. Fig Diagrama esquemático do processamento de dados de derivas ionosféricas pelos programas do pacote DDA. 80

75 O programa SKYG.EXE processa dados do arquivo *.SKY e mostra na tela os Skymaps. Estes disponibilizam informações da estrutura horizontal da ionosfera para o par freqüência-altura específico. Ou seja, é possível saber a direção de deslocamento da camada de plasma ionosférico e a magnitude da velocidade horizontal. Na Figura 3.5, pode-se ver um exemplo de Skymap, obtido a partir de dados da estação de São Luís. Nele são representados os pontos fontes e nos quadros menores à direita, são fornecidas informações a respeito do horário de sondagem, a freqüência, a altura, o número total de fontes, o número de subcasos, entre outras. Fig Exemplo de um Skymap com dados deriva de São Luis (MA): mostra uma estrutura horizontal de fontes de reflexão que se aproxima radialmente do ponto de zênite, deslocando-se para nordeste com velocidades menores que 100m/s. Nos arquivos de extensão *.VEL, há informações sobre as três componentes de velocidade de deriva, ou seja, a vertical, a zonal (leste-oeste) e a meridional (norte-sul). 81

76 Para visualizar os gráficos de função horária da velocidade de deriva, é necessário rodar o programa DRLINE.EXE - na versão mais recente do DDA, o programa leva esse nome, na versão anterior, havia o DRLINE1.EXE e o DRLINE2.EXE, o uso de um ou outro dependeria somente da porta (LPT1 ou LPT2) na qual estivesse ligada a impressora. Ao executar o programa aparece na tela, num só gráfico mas com três seções diferentes, as três componentes. Na janela desse programa, ainda, digitando o número 1, tem-se acesso a um menu, no qual, as opções 8 e 9, por exemplo, oferecem suavização por média corrida, dos pontos do gráfico. Na Figura 3.6 são apresentadas as duas telas, a primeira tem as curvas com os dados brutos de velocidade e a segunda, com as curvas suavizadas. Contudo se for de interesse do operador, ainda há a opção de rodar o programa RDODDA.EXE o qual, a partir do arquivo *.VEL, gera um arquivo *.DAT. Isso facilita a editoração por meio de programas para gráficos (por exemplo, Grapher, Origin, entre outros). Fig Saídas gráficas do programa DRLINE.EXE do pacote DDA. Foi de nosso interesse trabalhar com as médias das componentes da velocidade de deriva ionosférica. Então elaboraram-se dois programas em FORTRAN. Um deles, o HORADDA.EXE, para uniformizar os horários dos arquivos *.DAT gerados pelo RDODDA.EXE a partir de arquivos *.VEL. Isto é, quando há falha de dados em alguns horários, o programa completa o arquivo com o preenchimento das lacunas de horário sem dado de velocidade e inclui o valor , para a componente de velocidade de deriva que está sendo analisada. O outro, o MEDDA.EXE, efetua médias mensais, 82

77 quinzenais, ou por número de dias escolhidos, da componente de velocidade analisada. Na Figura 3.7, há um diagrama que esquematiza o uso dos programas mencionados. Fig Diagrama esquemático que mostra a ordem de processamento dos programas HORADDA.EXE e MEDDA.EXE: o primeiro uniformiza os horários de arquivos *.DAT com dados de velocidade de deriva, gerados pelo RDODDA.EXE do pacote DDA e armazena em novos arquivos também com extensão *.DAT; o segundo efetua as médias das velocidades de deriva dos arquivos gerados pelo HORADDA.EXE, armazena em arquivos *.DAT. 3.4 ESTUDOS COM IONOSSONDAS DIGITAIS Bibl et al. (1975) estudaram movimentos de irregularidades ionosféricas com a técnica de medidas de ângulo de chegada e deslocamento Doppler. Nessa época, a sondagem ionosférica com ionossonda digital utilizando essa técnica estava sendo implementada. Segundo Pfister (1971) movimentos e estruturas na ionosfera podem ser obtidos por análise de Fourier de sinais de rádio refletidos pela ionosfera e recebidos por antenas espaçadas. E os autores dizem que adicionando um rastreador multifreqüencial de amplitude complexa (complex amplitude multifrequency scanner) à ionossonda, é 83

78 possível estudar derivas e fazem uma descrição da técnica. Concluem, entre outros pontos, que ecos retornam em geral, não de um ponto na ionosfera, mas de uma região curva estreita definida pela condição de quase-perpendicularidade. A forma e posição dessas áreas refletoras variam temporalmente e são controladas provavelmente por distúrbios ionosféricos propagantes de média a grande escala. Gilbert e Smith (1988) compararam a redução de dados de ionograma através da técnica manual e do ARTIST. Apesar do tema fugir um pouco ao do proposto para ser estudado por este trabalho - as derivas ionosféricas - não deixa de ser interessante comentar o artigo, no sentido de ser também uma validação do método de processamento de dados pelo instrumento e também pelo próprio modo de operação de deriva que se utiliza dos pares freqüência-altura escolhidos pelo ARTIST. Os dados foram obtidos com uma Digissonda instalada no observatório ionosférico de Slough (51,5 N; 0,5 W) o qual faz parte do laboratório Rutherford Appleton, na Inglaterra, em Era a primeira vez que a redução automática pelo ARTIST estava sendo avaliada, para uma localidade de latitude média. Já havia sido feita uma avaliação na estação de Goose Bay (65 N, CGL 1 ), estação de alta latitude. Os autores analisaram dados que cobriam um período de 18 meses, dividindo-os em 5 grupos cada qual com 300 ionogramas. Compararam principalmente os parâmetros fof2 e M(3000)F2 que são, respectivamente, freqüência crítica da componente ordinária da camada F2 e fator de máxima freqüência utilizável para a camada F2. Esses parâmetros foram escolhidos dada sua importância com relação à rádio-comunicação em altas freqüências. Concluíram que o ARTIST fornece valores aceitáveis de fof2 e M(3000)F2, em torno de 93% das vezes em Slough. O ARTIST apresenta resultados menos confiáveis durante o verão, devido à influência da camada esporádica E (Es). E, segundo os autores, proporciona exatidão razoável em valores de parâmetros importantes para aqueles que trabalham com rádio-comunicações de alta freqüência, 1 Do inglês Corrected Geomagnetic Latitude. 84

79 quase em tempo real, porém, não substitui completamente a redução manual de ionogramas. Reinisch e Xuequin (1996) compararam também as técnicas de obtenção dos perfis médios representativos fornecidos por Digissondas em Jicamarca, Ramey e Puerto Madryn aos perfis correspondentes obtidos com o IRI. Concluíram que o IRI produz resultados discordantes com os da DGS256, especialmente na parte inferior da camada F2. Xuequin e Reinisch (1996) verificaram a validade dos perfis fornecidos pela Digissonda por meio do programa de inversão de altura real NHPC (versão 3.03) comparados aos perfis dos radares de espalhamento incoerente (REI) de Arecibo e de Millstone Hill. Os perfis calculados pelas Digissondas tiveram sucesso em 90% dos ionogramas, mostrando muito boa concordância com os perfis de radar. Apresentando mais alguns poucos exemplos de estudos que não sejam de derivas ionosféricas, Argo e Kelley (1986) utilizaram-se de ionossonda digital Huancayo (Peru) e o radar de VHF de Jicamarca (Peru), para analisar dados de dispersão-f 2. Foi notado que o início de irregularidades ocorre no leste e estas movem-se para oeste, enquanto no interior dessas estruturas de grande escala do plasma, encontrou-se deriva para leste. Apontam também, uma diferença entre observações da dispersão-f com a Digissonda e o radar de VHF, a saber, é que para o radar o início da dispersão-f sempre ocorre quando a ionosfera está ascendendo, enquanto em todos os cinco exemplos apresentados no artigo, a Digissonda detectou início quando o movimento aparente da ionosfera era descendente. Tal resultado apareceu para dados coletados simultaneamente na mesma noite. Os autores sugerem que o efeito pode ser instrumental mas, pode ser relacionado às diferenças de origem orográfica nos dois lugares, isto é, o relevo montanhoso de Huancayo em contraste com o de Jicamarca que fica na costa. 2 Apesar de ser muito utilizado o termo "espalhamento F" para a tradução de "spread F", na verdade o mais adequado é "dispersão F", pois espalhamento é a denominação atribuída a outra classe de fenômeno físico. 85

80 Outro exemplo de estudo sobre irregularidade ionosférica utilizando Digissonda associada a outra técnica pode ser encontrado, por exemplo, em Sales et al. (1996). Os autores utilizaram um fotômetro imageador, um modelo desenvolvido por Coleman (1993) citado por Sales et al. (1996) que simula o caminho de raios de HF do sondador, além da própria Digissonda (no caso, uma DPS), na localidade de Agua Verde (25,4 S; 290,0 E; 11 S, CGL), no Chile. Através dos skymaps, dos ionogramas e monitorização com o imageador, conseguiram caracterizar as emissões inerentes a estruturas de depleções equatoriais que evoluem para bolhas. Reinisch et al. (1987) realizaram observações na calota polar em Thule (86 N, CGL), na Groenlândia e na estação sub-auroral de Goose Bay (65 N, CGL), no Canadá. Utilizaram a técnica de deslocamento Doppler com Digissondas instaladas em cada uma das localidades. As observações mostram que a convecção ionosférica induzida pela magnetosfera, pode ser medida para a parte inferior da ionosfera. Os autores comentam que a técnica utilizada pelo instrumento é capaz de efetuar a monitorização do padrão de convecção de alta latitude. Mediram velocidades médias de plasma que variaram de 100 a 300m/s na estação sub-auroral e, de 300 a 800m/s na estação polar. Cannon et al. (1991) apontou concordância estatística muito boa, também, principalmente quando a componente z do campo magnético interplanetário é negativa, entre dados de deriva coletados por uma DGS256 locada em Qaanaaq (77,5 N; 290,8 E; 87 N, CGL), na Groenlândia e pelo satélite IMP8, para 32 dias durante 1986, 1987 e Scali e Reinisch (1995) analisaram dados de um período de 6 meses (de janeiro a junho de 1990) com Digissondas nas estações de Goose Bay (53,3 N; 299,2 E; 65 N, CGL), Argentia (47,3 N; 306,0 E; 56 N, CGL) e Millstone Hill (42,6 N; 288,5 E; 54 N, CGL). Eles observaram a relação entre a formação de depleção de plasma no setor de crepúsculo e as medidas de velocidade de deriva da região F. Essa relação indica que depleções desenvolvem-se devido a aumento da componente horizontal de 86

81 velocidade para oeste. E que a extensão da formação de depleção relaciona-se à magnitude da velocidade horizontal. Comparações entre medidas de radar de espalhamento incoerente (REI) e Digissonda DGS256 mostraram boa concordância entre as medidas para perfis de altura e cálculos de velocidade na estação de alta latitude de Sondrestrom Stromfjord (Scali et al., 1995). Nos dados registrados no período de 5 a 9 de dezembro de 1991, somente algumas vezes, houve diferenças de velocidade, causadas por introdução de erros na análise de Fourier (aliasing) dos espectros da Digissonda, ou não uniformidade espacial e/ou temporal do fluxo de plasma. No caso da não uniformidade espacial, as velocidades medidas pelo REI e pela DGS diferiram e tanto uma como outra são questionáveis. As velocidades não estacionárias afetam normalmente mais as medidas de REI, pois a DGS leva 5s para integrar os sinais (conversão dos sinais em séries temporais pela transformada de Fourier). Tal intervalo de tempo é suficientemente pequeno para que aqueles efeitos sejam minimizados para as medidas da DGS. Na Figura 3.8, são dispostas as velocidades medidas durante os 5 dias em dezembro de 1991 mencionados (dias julianos de 339 a 343). Estão as componentes vertical e zonal. Devido à grande inclinação das linhas de campo naquela latitude, os autores denominam, respectivamente, perpendicular ao norte (v N ) e perpendicular a leste (v E ). As velocidades de REI tiveram médias feitas sobre uma faixa de altura de 198 até 438km. As da DGS foram suavizadas por uma média ponderada corrida de 5 pontos. De modo geral as velocidades medidas pelos dois instrumentos estão em boa concordância. Segundo os autores, a estação é bem localizada para observar o que os autores denominam daytime cusp e a descontinuidade de Harang. Nos gráficos, a cúspide de plasma caracteriza-se pela inversão da componente v E, por volta das 1300UT ( 1100CGLT) a cada dia, conforme a estação move-se da célula de convecção do alvorecer para o anoitecer. A descontinuidade de Harang é identificada pela velocidade na direção sul da componente v N, por volta das 0200UT( 0000CGLT). 87

82 Fig Comparações entre medidas de velocidade de deriva feitas por Digissonda 256 (DGS) e Radar de Espalhamento Incoerente (REI), obtidas em Sondre Stromjord, na Groenlândia. FONTE: Scali et al. (1995, p. 1487). A maioria dos estudos publicados com resultados obtidos com as Digissondas DGS256 ou DPS, foram realizados em médias para altas latitudes. Só mais recentemente 88

83 estudos em médias e baixas latitudes foram realizados. Scali et al. (1997a e b) realizaram estudos comparativos entre medidas efetuadas com o radar de espalhamento incoerente (REI) de Arecibo, uma Digissonda DGS256 em Ramey (Porto Rico) e uma Digital Portable Sounder (DPS) em Puerto Madryn (Argentina). Em Scali et al. (1997b) foram comparadas, também, as medidas de hmf2 com o modelo chamado Field Line Interhemispheric Plasma (FLIP). Comentar-se-á somente o primeiro desses dois trabalhos, isto é, o de Scali et al. (1997a). Foram dados coletados no período de 20 a 30 de janeiro de Segundo os autores, a concordância entre as velocidades de REI e DGS não são muito boas. O REI mede persistentemente uma velocidade descendente, a qual não é acusada pelos dados da DGS. Além disso, argumentam que as velocidades medidas pela Digissonda são velocidades aparentes - os pulsos eletromagnéticos de varredura sofrem deslocamento Doppler que pode ser afetado tanto pelo movimento da região ionosférica refletora como da variação temporal do índice de refração ao longo do raio (Dyson, 1975 citado por Scali et al., 1997a), por isso, serem denominadas velocidades aparentes. Por conta disso, não recomendam o uso direto dessas velocidades aparentes como velocidades verdadeiras de plasma, para latitudes tropicais. Scali et al. (1997a) ainda apontam que a localização das superfícies refletoras se dá em pequenos ângulos zenitais (3 no máximo), sendo muito pequenos para técnica usada na DGS para calcular com segurança a velocidade horizontal. Isso melhora à noite, quando são observados ângulos zenitais de até 20, propiciando melhores condições para o cálculo da velocidade horizontal, assemelhando-se às velocidades medidas pelo REI, às vezes. Mas, por razões que não sabem explicar, em latitudes equatoriais, as velocidades horizontais não são tão confiáveis como aquelas medidas em altas latitudes. E sobre as CADIs, a documentação é mais recente, pois tratam-se de instrumentos relativamente novos no mercado de instrumentação científica. Grant et al. (1995), por exemplo, comparam medidas de fluxo de plasma em região de alta latitude, feitas com CADIs nas localidades de Resolute Bay (74,75 N; 94,99 W) e Eureka 89

84 (79,99 N; 85,92 W), no Canadá e medidas feitas simultaneamente para a mesma região com o primeiro par de radares de HF denominado Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN). Apesar de rastrear a mesma região ionosférica que as CADIs, os radares estão na vizinhança daquelas localidades, um está em Saskatoon, Saskatchewan (52,16 N; 106,53 W) e o outro em Kapuskasing, Ontário (49,39 N; 82,32 W). Os autores mostraram que para um intervalo de 3 horas, durante condições calmas, há quase sempre muito boa concordância entre as medições de CADI e SuperDARN, tanto da velocidade como da direção da convecção da calota polar, numa faixa de 100 a 600m/s. As poucas amostras com discordância foram associadas a estruturas espaciais muito influentes sobre o padrão de fluxo do plasma, vistas pelo SuperDARN e com variações temporais muito rápidas. Enfim, bem recente é um artigo de MacDougall et al. (1998), no qual a CADI localizada em Fortaleza é utilizada para estudos de dispersão-f. Os autores fizeram estudos sobre a ocorrência de um pico de dispersão F pré-alvorecer, durante período de baixa atividade solar nos solstícios (principalmente solstício de verão). Essas dispersões na camada F, como manchas, movem-se para leste com velocidade em torno de 50m/s. A maioria dessas manchas são associadas com protuberâncias descendentes na parte inferior da ionosfera. Sugerem que processos de instabilidade de Rayleigh-Taylor (R-T) estejam associados a perturbações de velocidade vertical que criam as protuberâncias. E as variações na taxa de crescimento da instabilidade R-T em função da altura e da atividade solar, podem explicar, em parte, o comportamento temporal da dispersão-f. 90

85 CAPÍTULO 4 O PROCESSAMENTO DOS DADOS E SEUS RESULTADOS 4.1 CONDIÇÕES NA OBTENÇÃO DOS DADOS Para este trabalho, em princípio, dispúnhamos de um banco de dados que estendia-se de outubro de 1994 a maio de 1998, ou seja, mais de três anos e meio de dados coletados pela DGS256, em São Luís e quase o mesmo período para a CADI, em Fortaleza (desde setembro de 94), de forma contínua e assistida por operador - os técnicos Acácio Cunha Neto (em São Luís), Sinval Domingos (em Cachoeira Paulista) e Edmilson Mota Forte (em Fortaleza) - salvo eventuais defeitos apresentados pelo equipamento. De outubro de 1994 a meados de outubro 1996, as medidas de deriva pela DGS256 eram efetuadas de hora em hora. A partir do dia 285 (11/10) de 1996, as medições passaram a ser feitas a cada 15min. Após inspeção dos dados, utilizando rigoroso processo de seleção, desses três anos e meio de dados, foram escolhidos apenas quinze dias em outubro de 1997 (do dia 276 a 290) por motivo explicado na seção 4.2. Com certeza pode-se dizer que se trata de um número pequeno de dias supondo-se que o banco de dados inteiro possui uma quantidade muito maior de dias com medidas. Porém há que levar-se em conta a qualidade. Nesses poucos dias os dados apresentaram-se bons. E, aí deve-se ponderar que um banco de dados grande é bom mas, um banco de dados com boa qualidade a despeito da quantidade é mais importante, porque a confiança nos resultados é maior, conseqüentemente as conclusões têm chance de ser mais acertadas. Algumas condições devem ser obedecidas para a obtenção de dados com boa qualidade. Como todo instrumento composto de várias partes, é necessário, para uma ionossonda digital, certificar-se de que cada uma delas está operando satisfatoriamente para a coleta de bons dados. Assim, a antena de transmissão, as antenas de recepção e seus pré-amplificadores, seus cabos, conexões e conectores; as válvulas; o processador e seus circuitos; os periféricos, tais como o computador que auxilia no gerenciamento de valores de entrada para alguns parâmetros, a impressora (que, por opção nossa, imprime ionogramas a cada hora), todos eles, enfim, devem estar funcionando afinadamente. Há 91

86 testes de calibração das antenas que devem ser feitos rotineiramente. Se uma das antenas não está funcionando, é necessário verificar a causa do defeito e saná-lo assim que possível, pois a deriva utiliza o conjunto de antenas receptoras para o cálculo das diferenças de fase entre si com relação ao eco captado, conforme já foi descrito com detalhes no Capítulo 3 - e, inclusive o modo de ionograma utiliza também informações do conjunto de antenas receptoras. Então tem-se tentado manter com uma certa regularidade (pelo menos a cada 15 dias) o procedimento dos testes de calibração das antenas. Mais recentemente - para ser exato, no início de junho do corrente ano soubese, através do Dr. J. Scali, do Centro de Estudos Atmosféricos da Universidade de Lowell, que a sondagem de deriva deve ser efetuada a cada 5min em regime de campanha, sendo preferível, inclusive, escolher manualmente os pares de freqüênciaaltura que variam continuamente durante o dia, por meio da análise da freqüência crítica nos ionogramas que são gerados continuamente a cada 5min, nesse mesmo período de campanha. Dessa forma os dados coletados têm maior confiabilidade estatística, pois o volume de informação é maior e, além disso, a condição de uniformidade espacial de movimento do plasma é menos provável de ser violada. Outra informação recente, refere-se a um procedimento relativamente novo desenvolvido pela equipe que elaborou o projeto da Digissonda DGS256, para fazer testes de calibração das antenas. Como só há pouco tempo soube-se dessas informações - de que o ideal é realizar medições a cada 5min e os novos testes de calibração das antenas - não tivemos tempo hábil e nem suporte financeiro, para realizar uma campanha deste porte, pois seria necessário tomar toda uma série de medidas para viabilizar tal projeto, medidas como cuidar da parte de calibração das antenas, deslocar pessoal e equipamentos, entre outras. Há a possibilidade de reaproveitamento dos dados desse banco de mais de três anos e meio (a DGS256 tem funcionado continuamente e, portanto, o banco de dados vem aumentando), porém, para isso, é necessário desenvolver software específico - tarefa a qual demanda muito tempo, sendo, portanto, interessante incluí-la, provavelmente, como parte de um projeto futuro. 92

87 Até este ponto foram consideradas as condições para obtenção de um bom conjunto de dados. Passemos então à análise das características apresentadas por um bom conjunto de dados. 4.2 CARACTERÍSTICAS DE UM BOM CONJUNTO DE DADOS DA DGS256 Depois de certificar-se da situação em que efetuaram-se as medidas de deriva, no momento do pós-processamento deve-se prestar atenção em alguns pontos. Para começar, ao executar o programa DDAS.EXE, há opções com relação ao modo de fazer um controle de qualidade de dados. Essa opção é feita no código 016 do arquivo ODDAMENU.ONL. Conforme o valor escolhido, durante o pós-processamento pelo DDAS.EXE, é possível verificar, com monitoramentos gráficos ou num formato ASCII, informações do controle de qualidade das antenas e das velocidades de deriva, com a tela apresentada na Figura 4.1. Fig Tela mostrada durante pós-processamento com o programa DDAS.EXE com a opção de modo por monitoramento gráfico do controle de qualidade de antenas e do número de fontes. 93

88 Os arquivos de entrada, conforme já foi dito no Capítulo 3, podem ser lidos a partir de fita streamer, de disco rígido, ou mesmo de CD. Para maior comodidade e rapidez as duas últimas opções são mais indicadas. Os arquivos de entrada lidos a partir do disco rígido (ou do CD) devem ser nomeados como DRIFT0.DFT. O arquivo gerado pelo DDAS.EXE é o DRIFT0.SKY. Na tela da Figura 1, há três gráficos que devem ser vistoriados, durante o processamento; o primeiro abaixo à direita é o que fornece controle do número de fontes. As barras vermelhas representam valores individuais totais de número de fontes para cada subcaso (denominadas pela sigla INDV) (ou seja, todos espectros em um par freqüência-altura) (Scali, 1993) e as barras verdes representam as médias de número de fontes sobre cada conjunto de 100 subcasos previamente processado (nomeadas como AVE). Se o dado de deriva está bom, a barra verde deve assumir valores acima de 10 (Scali, 1995a), caso contrário o número de fontes é considerado muito pequeno, o que indica dado insatisfatório. Acima desse gráfico há informações a respeito do nome da estação e sistema de coordenadas utilizado na localização das antenas receptoras, bem como da data de registro dos dados e informações sobre erros (de fase ou amplitude) detectados nas antenas. As informações e o gráfico com número de fontes, todos na metade direita da tela constituem o denominado "system status". Uma curiosidade a respeito do system status foi que desde o início do trabalho de pós-processamento dos dados de deriva, ele apresentava uma mensagem insistente de erro de fase e apontava em qual antena se dava o erro. Isso representava uma preocupação muito grande, porque parecia que nenhum dado sequer estava bom, já que por todo o processamento a mensagem era mostrada na tela. Após verificarmos tudo que foi possível, não encontrávamos mais nenhum ponto a ser atacado, pois, tudo estava aparentemente bem. Então fomos informados de que os dados não estariam necessariamente ruins em decorrência daquela mensagem e de que ela não possuía muita importância (Scali, 1998). Essa informação veio em boa hora, apesar de termos dedicado muito tempo revisando vários pontos os quais pudessem influenciar no aparecimento da mensagem de erro de fase e amplitude, por parte das antenas receptoras. Esse tipo de coisa pode provocar um certo atraso na obtenção de resultados. 94

89 Na parte esquerda da tela (ainda da Figura 4.1), há o "antenna status" que traz informações a respeito das antenas receptoras e seu funcionamento. O gráfico de cima pode apresentar "taxas de falha de fase" ou "erro de fase" para cada antena. A opção entre esses dois testes (o de taxas de falha de fase e o de erro de fase) é feita no código 074 do arquivo ODDAMENU.ONL. O modo de taxas de falha de fase tem escala percentual lida no eixo esquerdo. Ao estar sendo processado, o ideal é que as barras verdes (histogramas AVE) assumam um mesmo valor para todas as antenas. Desvios na taxa de falha de antena para antena podem indicar um problema (Scali, 1993). Além disso, essas taxas não devem exceder 20%. Já o modo de erro de fase é calibrado pelo eixo direito do gráfico (o qual estende-se de 90 a -90 ). Os valores devem estar em torno de 0. Na Figura 4.1, é esse o modo apresentado no teste de fase, ou seja o modo de erro de fase. Ainda, com relação ao status de antena, abaixo na mesma figura, há o teste de amplitude de antena que mostra também taxas de falhas, sendo que os valores devem estar preferencialmente em torno de 10% e nunca serem maiores que 20% (Scali, 1993). De acordo com essas especificações, então os dados apresentados pela Figura 4.1 estão com boa qualidade, pois, o número de fontes está acima de 10 (o valor AVE é de 35 e mesmo os histogramas INDV apontam que o valor AVE posterior será maior que 10 também), o teste de amplitude mostra valores abaixo de 20% (e menores que 10% para os histogramas INDV) e o teste de fase apresenta valores centrados em torno de 0. No período de 15 dias (3 a 17 de outubro de 1997) os dados apresentam-se dessa forma em geral, daí serem considerados bons, apesar de terem sido coletados a cada 15min. Outro procedimento ao verificar a qualidade dos dados, consiste em rodar o programa SKYG.EXE e certificar-se de que as estruturas e posições dos dados de skymap fazem sentido. Um bom conjunto de dados desse tipo devem mostrar aglomerados de fontes distintamente separadas em deslocamento Doppler, tal como na Figura

90 Fig Skymap com exemplo de boa disposição espacial dos pontos refletores. Da Fig. 4.2, pode-se perceber que a disposição espacial dos pontos-fonte possuem boa estruturação, pois há separação entre pontos que aproximam-se da estação (pontos em azul - com deslocamento Doppler positivo) e pontos que afastam-se da estação (pontos em vermelho - com deslocamento Doppler negativo). O módulo, a direção e sentido da velocidade horizontal com que esses pontos estão se afastando ou se aproximando da estação são representados pelas linhas que os acompanham. O módulo da velocidade pode ser obtido por comparação com a linha de velocidade radial na parte de baixo do painel direito inferior da figura. Nos painéis à direita da figura, há informações sobre vários parâmetros, tais como a freqüência em que foi feita a sondagem, a altura virtual média, o número de fontes, amplitude do eco, ruído, ângulos de azimute e zênite. Esses dados foram registrados no dia 286, por volta das 2017UT (17h17min). 4.3 VELOCIDADES DE DERIVA Além das condições instrumentais descritas no início deste capítulo, é necessário ressaltar que as condições ionosféricas são importantes também com relação 96

91 à obtenção de um bom conjunto de dados. As ionossondas digitais, para a efetuação de medidas de deriva eletromagnética, respondem melhor na presença de irregularidades na ionosfera. Essa melhoria na resposta deve-se à própria técnica de medição, pois, segundo Bullett (1994), para uma ionosfera sem movimento, não há deslocamento Doppler nos sinais refletidos e a técnica de interferometria de imageamento Doppler não tem resolução. Somente a localização da fonte pode ser determinada. Já se "a ionosfera tem velocidade V r, a velocidade na linha de visada a partir da origem é r r Vldv = V a r (4.1) [onde a r r foi definido no Capítulo 3] e não há resolução espacial ao longo da curva r onde V a r r r é constante. A maior resolução espacial será obtida onde V a r r varia muito rapidamente". Logo, é interessante que haja a presença de irregularidades na ionosfera para maior resolução espacial na localização das fontes. Então foi que decidiu-se escolher, em princípio, dias nos quais houvesse o evento de dispersão-f. Nas Figuras 4.3 e 4.4, há painéis com os ionogramas ao dia 284 (11/10) de Os painéis estão cobrindo, respectivamente, os horários das 0000 às 0330 UT e das 0400 às 0800 UT. Esses ionogramas foram registrados em São Luís, pela DGS256. Cada um dos painéis apresenta, em sua parte inferior, duas linhas contendo as seguintes informações: ano, dia juliano, hora e minuto (em tempo universal) e alguns parâmetros que não foram levados em conta. O eixo horizontal representa a freqüência em MHz, sendo que a borda esquerda do painel equivale a 1MHz e cada divisão a 1 MHz. O eixo vertical representa a altura virtual, em km, sendo que a base do painel equivale a 50km e cada divisão a 50km. 97

92 Fig Painel com seqüência de ionogramas com dispersão-f (São Luís). 98

93 Fig Painel com seqüência de ionogramas com dispersão-f (São Luís). 99

94 Conforme foi verificado posteriormente, esse fenômeno é muito comum em São Luís e Fortaleza, durante a maior parte do ano (o que é um aspecto positivo para nossas sondagens) e em Cachoeira Paulista, a dispersão-f é mais freqüente de setembro a março. Em seguida, depois da informação de que é melhor fazer sondagens a cada 5min, optou-se por dedicar mais atenção às fitas com dados de novembro de 1996 em diante, pois, as sondagens foram feitas a cada 15min. Tanto os dados de São Luís como os de Cachoeira Paulista, não se mostravam bons. Em São Luís, dessa vez foi devido à resposta das antenas - a antena 4 não respondia. Quanto aos dados de Cachoeira Paulista, no início do mesmo mês (de julho de 1997), em visita à estação, constatou-se, após efetuar o teste de calibração das antenas, que apenas a antena 1 estava funcionando. Isso resultava em erro de resposta por parte das antenas, ao se fazer o pós-processamento. Com todos esses acontecimentos, concluiu-se que seria melhor trabalhar dados de setembro de 1997 em diante, período em que aparentemente, haviam sido tomado todos os cuidados e feito os acertos necessários com relação à calibração das antenas. Após verificar as fitas, fazendo o controle de qualidade dos dados, foi observado que os dados da fita 025 cujo período de gravação cobre de 16/09 a 21/10, apresentava um período com dados mais coerentes com relação ao número de fontes e à resposta das antenas, então resolveu-se trabalhar com os 15 dias, já mencionados, pois há maior continuidade de dados noturnos de deriva ionosférica com boa qualidade. Na Tabela 4.1, há exemplo de como foram catalogados os dados desse período. Os horários assinalados são os que contêm bom conjunto de dados. 100

95 TABELA RELAÇÃO DE DIAS E HORÁRIOS COM DADOS BONS Dia Fita: SL025 Hora(UT) Conforme se vê na tabela acima, nem todos horários possuem dados satisfatórios Isso se deve, em geral, às condições apresentadas pela ionosfera no momento da medida, ou até mesmo ao não funcionamento do aparelho. Porém devido à uniformidade na seqüência de dados medidos no período noturno e sua boa qualidade é que optou-se por esse período. Alguns desses dias considerados mais representativos foram tomados como exemplo para demonstração das curvas diárias das componentes de velocidade de deriva. Nas Figuras 4.5 e 4.6, há os gráficos das componentes da velocidade de deriva relativas ao dia 284 (11/10) e ao dia 286 (13/10). 101

96 Deriva Vertical (m/s) Deriva Meridional (m/s) Deriva Zonal (m/s) N 0 S L 0 O São Luis (11/OUT) Número de Fontes Hora (UT) Fig Gráfico com medidas das componentes da velocidade de deriva e do número de fontes correspondentes, referentes ao dia 284 (11/10) de

97 Deriva Vertical (m/s) Deriva Meridional (m/s) Deriva Zonal (m/s) N 0 S L 0 O -200 São Luis (13/OUT) Número de Fontes Hora (UT) Fig Gráfico com medidas das componentes da velocidade de deriva e do número de fontes correspondentes, referentes ao dia 286 (13/10) de

98 Das Figuras 4.5 e 4.6, pode-se perceber que as componentes de velocidade de deriva sofrem muitas flutuações durante o dia. Apesar disso, nota-se a presença de um aumento da velocidade de deriva, no horário esperado para o pico pré-inversão, pois, conforme se vê, a componente vertical da Figura 4.5 apresenta um aumento expressivo por volta das 2130 UT (18h30min), e a componente vertical da Figura 4.6 também apresenta a mesma característica, porém, um pouco mais cedo, às 2100UT (18h00min) e menos intensa. O fato de conseguir-se observar evidências do aumento pré-inversão é um ponto positivo, vez que em baixas latitudes, este fenômeno já foi bem evidenciado, por exemplo em Fejer et al. (1991) e Batista et al. (1986). Porém, o comportamento das componentes de deriva é bem diferente daquele apresentado nesses dois textos, nos quais há o comportamento da média dos dados de deriva cada qual em um período de amostragem. Durante o dia, a deriva vertical deveria ser positiva (ascendente), invertendo o sentido à noite e é justamente o contrário o que se vê nos gráficos das Figuras 4.5 e 4.6. Esse comportamento foi apresentado sistematicamente em todos os dias do período de 15 dias - e, na verdade, em todos os outros dados analisados e não aproveitados neste trabalho. Portanto, torna-se válida a discussão qualitativa a respeito dos comportamentos dos gráficos das Figuras 4.5 e 4.6 (que representam, cada um, dados de um dia respectivamente) e os gráficos dos textos de Batista et al. (1986) e Fejer et al. (1991) (que representam curvas de médias das componentes de derivas), ou seja, comparar um caso discreto com uma média. As características da curva de deriva vertical do gráfico na Figura 4.5, podem ser melhor compreendidas utilizando-se o gráfico de isolinhas de densidade. O programa ADEP gera curvas de isolinhas de densidade e, para efeito de comparação, na Figura 4.7 é exibido o gráfico relativo ao dia 284 (11/10) de 97. Pode-se observar na parte de baixo, as curvas para cada uma das freqüências de sondagem, cada qual com uma cor característica. Na Figura 4.5, a curva da deriva vertical, a partir das 0700UT apresenta velocidade positiva. Isso é evidenciado pelas isolinhas de densidade na freqüência de 3,5MHz da Figura 4.7. A seguir, próximo às 0730UT a velocidade de deriva vertical cruza o eixo das abscissas, o que é representado pelo ponto de inflexão da mesma curva 104

99 de freqüência de 3,5MHz, a qual inicia uma descida e, portanto, com declividade negativa, a componente de deriva vertical mostra-se negativa até atingir um mínimo por volta de 0830UT. A velocidade entre 0900 e 1830UT mantém-se próxima de zero, variando razoavelmente pouco, comportamento corroborado na Figura 4.7, pela curva de freqüência de 7,0MHz - valor em torno do qual foi feita a sondagem de deriva nesse intervalo de tempo. Na seqüência, após as 2000UT a componente vertical sobe até atingir o que se considerou o pico pré-inversão e isso, uma vez mais está coerente com a curva de isolinha, mas dessa vez para a freqüência de 6,0MHz. Para melhor visualização na Figura 4.7, basta seguir as setas vermelhas, que marcam a freqüência de sondagem. Fig Perfis de contorno das isolinhas de densidade (painel inferior) e parâmetros ionosféricos fof2, fof1, foe, h'f, h'f2, h'e (painel superior). Então, conforme nota-se dos gráficos de velocidade das Figuras 4.5 e 4.6, durante o dia a deriva vertical é negativa e, nesse mesmo período, as freqüências sondadas foram justamente as da faixa de freqüências cuja altura diminui, pois, conforme já foi explanado no Capítulo 3, o programa denominado Autodrift (de acordo 105