Progressos em física de relações solares-terrestres no Brasil, ( )

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1 Progressos em física de relações solares-terrestres no Brasil, ( ) A. Mendes da Costa" L. Rizzo Piazza** P. Kaufmann** Apresen ta cão Este relatório se refere às pesquisas realizadas em Relações Solares-Terrestres pelo INPE (Instituto de Pesquisas Espaciais), ITA/CTA, IAE/CTA (Instituto Tecnológico de Aeronáutica e Instituto de Atividades Espaciais do Centro Tecnológico Aeroespacial, respectivamente) e FURB (Fundação Educacional da Região de Blumenau) no período de 1982 a 1985 nas seguintes áreas: 1. Alta Atmosfera 2. Magnetosfera 3. Ionosfera 4. Geomagnetismo 5. Antártica Alta atmosfera As pesquisas desenvolvidas em ciência da alta atmosfera incluem estudos experimentais e teóricos sobre a química e dinâmica da estratosfera, mesosfera e baixa termosfera. A parte experimental utiliza técnicas óticas no solo, sendas em balões e em foguetes para o estudo de ozona na estratosfera, e fotômetro colocado como carga útil em foguete que permite a medição de várias emissões da termosfera. Os resultados, mais recentes obtidos em cada área no periodo de são descritos a seguir. * Bolsista do CNPq/PROANTAR. ** Instituto de Pesquisas Espaciais, C.P. 515, , S. José dos Campos, SP, Brasil.

2 34 A. Mendes da Costa, L. Rizzo Piazza y P. Kaufmann Revista Geofísica 25 Camada de sódio atmosférico Medições da distribuição vertical do sódio atmosférico mostram variações temporais oscilantes na densidade de sódio com períodos de 12 a 24 h. As componentes diurna e semi-diurna das oscilações mostram grandes amplitudes em um inversão de fase de 180º próximo do pico da camada. Estas características são interpretadas em termos da propagação de marés na camada, lavando em conta e intereção entre a maré a camada de constituinte mincritário. É possível mostrar que o vento vertical é o fator mais importante que determina a amplitude da oscilação na densidade de sódio a uma dada altura fixa. (Clemesha et al., 1982; Kirchhoff e Clemesha, 1983a, 1983b, Batista et al., 1985). Os resultados obtidos para as taxas de reação de sódio permitiram establecer as importâncias relativas de vários compostos de sódio existentes na alta atmosfera e na baixa termosfera. Com a finalidade de se estimar os efeitos dessas reações foi desenvolvido um modelo dinámico dependente do tempo para a difusão vertical da fotoquímica atmosférica onde se calculam as varaições diurnas do sódio. (Kirchhoff e Clemesha, 1983c; Kirchhoff e Batista, 1983; Kirchhoff, 1983; Kirchhoff e Takahashi, 1984). Luminescência Os fotâmetros utilizados para o estudo de luminescência se situam em Cachoeira Paulista e Natal. As emissões incluem o 01 em 7774Á, 6300Á e 5577Á, bandas de OH de (9-4) e (8-3), o molecular em 8645Á, NaD em 5890Á, N 2 + em 4278Á e 3914Á e H 13 em 4861Á. Foram feitas observações de N 2 + H Balmer B e outras emissões devido à precipitação de partículas em latitudes baixa e média. A emissão observada tem características que correspondem à precipitação na termosfera de átomos neutros e/ou íons energéticos que tem origem na corrente de anel. Estas características incluem alta excitação rotacional/vibracional das bandas do N 2 + e a simultaneidade do início da emissão H 13 com a do N 2 ", havendo posteriormente uma correlação parcial. Quanto à variação com a latitude, evidenciou-se um forte aumento de baixas para médias latitudes (Tinsley et al., 1982; Rohrbaugh et al., 1983). A varredura simultânea da emissão do O atômico (7777 A e 6300Á) permitiu o estudo da dinâmica das irregularidades em grande escala da camada F em baixas latitudes. As observações em 7774Á revelaram irregularidades de grande porte em altitudes próximas do pico da camada F, enquanto que as observações em 6300Á mostraram tais irregularidades em altitudes entre 50 e 100 km ou menos, dependendo da altura da região F. (Sahai et al., 1983; Bittencourt et al., 1983). A varredura meridional das emissões da NaD e OH(8-3) durante a noite ( nightglow) mostrou uma variação uniforme de intensidades ao longo da

3 1986 Progressos em física de ralações solares-terrestres no Brasil, região varrida sugerindo que as variações noturnas normais são controladas por alguma variação atmosférica regular, como por exemplo as marés. Entretanto, em algumas noites foram observados gradientes horizontais e uma propagação na forma de onda na emissão do NaD, cujas características sugerem a passagem de ondas gravitacionais internas na camada da emissão ( Christophe et al., 1983; Kirchhoff e Takahashi, 1985; Takahashi et al., 1985). As observações das intensidades de emissão do OI(5577 Á), NaD e OH(8-3) foram analizadas em termos de variações noturnas e sazonais. As variações noturnas da emissão do O atômico e da temperatura rotacional do OH mostram uma forte oscilação semidiurna. Foram observadas também variações semianuais das emissões do OJ e NaD com intensidades máximas em abril-maio e oututubro-novembro. A temperatura rotacional mostrou uma variação anual com máximo no verão e mínimo no inverno (Takahashi et al., 1984). Ozónio na atmosfera Existem dois espectrofotômetros Dobson que medem o conteúdo total diário de ozônio em Cachoeira Paulista e em Natal. Desde 1982 são lançados ozonosondas ECC em balões quatro vezes por mês em Natal, num programa cooperativo com a NASA. Dessas observações se pode chegar a alguns resultados importantes: a) As densidades troposféricas do ozônio em Natal são cerca de 30% mais altas do que se supunha para a região equatorial.... b) O conteúdo total de ozônio em Natal é aproximadamente 15% mais alto do que os valores obtidos por satélites para a região equatorial..c) Na estratosfera, a correlaçao do ozônio com a temperatura é positiva abaixo do pico de ozônio e negativa acima dele. d) O conteúdo médio total de ozônio em Natal medido com as ozonosondas ECC e com o espectrofotômetro Dobson diferem de menos de 4 % (Kane et al., 1982; Sahai et al., 1982; Kirchhoff et al., 1983). Observações com o lidar As observações da camada de sódio feitas com radar de laser mostraram que num meio onde ocorre o espalhamento e absorção radiação, o espectro do sinal varia ao longo do percurso. É preciso fazer então uma correção teórica para compensar esse efeito da extinção produzida por linha ressonante (Simonich e Clemesha, 1983). Magnetosfera A proposta de se medir campos elétricos com detetores duplos a bordo de balões estrosféricos vem sendo desenvolvida desde 1982 com o objetivo de se estudar os campos elétricos na ionosfera e na magnetosfera em baixas

4 36 A. Mendes da Costa, L. Rizzo Piazza y P. Kaufmann Revista Geofísica 25 latitudes e estudar também os campos elétricos locais na atmosfera ralacionados com a eletrodinâmica da baixa e média atmosfera. Raios-X atmosféricos Com a finalidade de se entender os processos de precipitação partículas energéticas na Anomalia Magnética do Atlântico Sul, foram feitas medições de raios-x atmosféricos relacionados com esses mecanismos. Verificou-se uma clara evidência dos efeitos da precipitação dessas partículas, principalmente durante períodos magneticamente ativos (Gonzalez et al., 1982). Interação do vento solar com a magnetosfera terrestre O problema fundamental da transferência de energia do vento solar para o magnetosfera terrestre está relacionado com o parâmetro E da sub tempestade. Usando valores do campo elétrico obtidos pelo satélite ISEF-1 na magnetosfera terrestre, em colaboração com o Space Science Laboratory da Universidade da California (Berkeley), foi possível chegar a uma generalização do parâmetro E e obter um conhecimento básico da eficiência da transferência do campo elétrico do vento: solar para a magnetosfera terrestre (Gonzalez e Gonzalez, 1984; Gonzalez, 1985). Ionosfera As pesquisas ionosféricas tratam principalmente de problemas de ionosfera equatorial e tropical e o seu acoplamento eletrodinâmico com a ionosfera em altas latitudes, estando em andamento as seguintes áreas: dinâmica de plasma da ionosfera equatorial, resposta ionosférica à perturbações nos campos elétricos, dínamo e magnetosférico, morfologia e produção de irregularidades do plasma, efeitos aeronômicos da precipitação de partículas carregadas na anomalia magnética, efeitos de meteoros, fontes de R-X galáticos, tempestades magnéticas e de "flares" solares na baixa ionosfera. Observações de TIDs (travailing ionospheric disturbances) Através da análise de ionogramas obtidos com a ionosonda vertical situada em Cachoeira Paulista foi observada a passagem de T1Ds, principalmente no período antes do nascer do Sol. A densidade eletrônica e as oscilações de altura encontradas foram comparadas com resultados obtidos através de simulação baseada na teoria linear da perturbação da ionização induzida por ondas gravitacionais. Abdu et al., (1982a). "Spread-F" e bolhas de plasma Os resultados que se seguem são baseados nas contribuições de Abdu et al.,

5 1986 Progressos em física de ralações solares-terrestres no Brasil, (1982b); Abdu et al., (1983a, 1983b, 1983c); Abdu et al., (1985a, 1985b, 1985c, 1985d); Medeiros et al., (1983); Nelson et al., (1985); Sobral et al., (1985). Dados de cintilação de sinais de amplitude de VHF por satélite na região equatorial permitiram a obtenção de conclusões importantes no papel do controle da declinação magnética no comportamento sazonal da ocorrência de irregularidades de ionosfera equatorial. Dados simultâneos obtidos com polarímetros em SJ. dos Campos e em Cachoeira Paulista, do conteúdo eletrônico total permitiram a determinação de velocidade zonais das estruturas de bolhas de plasma. Os resultados sugerem a existência de um gradiente latitudinal no movimento zonal do plasma. Estudos das valocidades de bolha de plasma durante tempestades magnéticas mostram que a ocorrência de eventos de irregularidade de bolha, está generalmente limitada à hora local próxima e após a meia noite local podendo se estender para horas do amanhecer sendo que o fluxo zonal dessas horas se inverte para oeste. O aumento da velocidade vertical de bolhas de plasma transequatoriais foi deduzido a partir da análise de ionogramas obtidos com ionosondas separadas latitudinalmente. As velocidades encontradas mostraram boa correlação com as variações do campo elétrico zonal na região Fa tarde. Observações do movimento da luminescência associado a eventos de bolha de plasma equatorial usando o fotômetro de varredura meridional este-oste do OI cm 6300Â, localizado em Cachoeria Paulista, indicaram que o movimento para oeste da luminescência é um fenómeno regular no período após o anoitecer, estendendo-se até as primeiras horas da manhã nos meses de verão. Verificou-se também que as velocidades de deriva para oeste variam durante os meses do ano e com o índice da atividade magnética Ap. No estudo da ocorrência do "Spread-F" ao anoitecer em Fortaleza e em Cachoeira Paulista, observou-se taxas diferentes de ocorrência nos dois locais nas primeiras horas após o anoitecer. Em Cachoeira Paulista a taxa de ocorrência do "spread-f" às 21 LT aumentou de um fator aproximadamente 3 do período de baixa para alta atividade solar. Nas primeiras horas da manhã não foi verificada dependência com a atividade solar. Em Fortaleza a ocorrência de "spread-f" nas primeiras horas após o anoitecer permaneceu muito alta (90-100%) das LT sem variação para as épocas de mínimo ou de máximo da atividade solar. Os resultados são analizados em termos do controle da atividade solar sobre as bolhas de plasma gerada e do campo elétrico dínamo na região F. A altura da camada F e a deriva vertical da ionização ao anoitecer são estudadas sob diferentes condições de ocorrência do "spread-f" em Fortaleza e em Cachoeira Paulista. Em Cachoeira Paulista o "spread-f" só ocorre associado a bolhas de plasma que se desenvolvem no equador e se estendem para norte e para sul, alinhadas a um tubo de fluxo magnético. As condições limites para a geração e desenvolvimento de bolhas de plasma sobre o equador

6 38 A. Mendes da Costa, L. Rizzo Piazza y P. Kaufmann Revista Geofísica 25 são diferentes daquelas necessárias para a geração de irregularidades apenas na base da camada. Efeito de meteoros O efeito das chuvas de meteoros Geminids e a Scorpiids na baixa ionosfera foi detetado utilizando-se dois métodos distintos. As alturas e coeficientes de reflexao obtidos através de ionosonda oblíqua de VLF apresentaram variação anômala enquanto que desvios significativos na fase de sinais de VLF propagando-se à longas distâncias e recebidos no Rádio Observatório de ltapetinga em Atibaia, foram observados - (Vilas Boas et al., 1985). Efeito de fonte de Raios-X galática Em maio de 1979 ocorreu forte explosão na fonte de raios X de origem galática Cen X-4, medida através do satélite Airel-5. Medidas efetuadas na baixa ionosfera indicaram grande abaixamente da altura de reflexão de sinais de VLF transmitidos através de ionosonda oblíqua bem como um aumento no coeficiente de reflexão, maior para frequências maiores. Foram observadas também variacões de fase nos sinais de VLF propagando-se à longa distância (receibidos no Rádio Observatório de Itapetinga, Atibaia) coincidentes com a explosão em Cen X-4 confirmando que fontes transientes de raios-x galáticos são capazes de produzir efeitos de ionização suficientes na baixa ionosfera (Rizzo Piazza, et al., 1983). Medidas de densidade eletrônica Três receptores sintonizados em 400 KHz através de três antenas magnéticas mutuamente ortogonais foram montados como carga útil do foguete Sonda III. Com esses receptores mediu-se ao longo da trajetória os campos emitidos pelo Rádio Farol de Natal operando em CW de 400 KHz, obtendo-se a densidade eletrônica e a influência do modelo da frequência de colisões na determinação da densidade eletrônica. Usando os dados de uma ionosonda oblíqua de LFNLF situada próxima ao centro da anomalia geomagnética do Atlántico Sul, foi determinado o comportamento médio das alturas e coeficientes de reflexão da baixa ionosfera entre 15 o60khz. Carrijoe Walter (1985); MacedoMouraeAbrahão (1985). Esporádica E Observações do espalhamento incoerente da esporádica E obtidas em Arecibo mostraram que a maioria dos problemas da teoria do cisalhamento do vento estão relacionados com o comportamento de ondas atmosféricas. O aparecimento de camadas Es depende de características diurnas e sazonais da atmos-

7 1986 Progressos em física de ralações solares-terrestres no Brasil, fera neutra sobre o local de observação. A incidência diurna dessas camadas não é uma característica longitudinal mas depende fortemente do local. As camadas Es com picos múltiplos resultam de diferentes mecanismos geradores correspondendo a várias faixas de altitude Zamlutti (1983). Geo magnetismo Os magnetômetros localizados em Cachoeira Paulista e Eusébio (próximo a Fortaleza) medem continuamente as tres componentes (H,D e Z) do campo magnético terrestre. Os dados observacionais permitem o estudo da variabilidade do campo magnético local em diferentes faixas de frequências e as suas relações com a dinâmica do eletrojato equatorial, o sistema Sq de corrente ionosférica, a variabilidade do sistema de correntes magnetosféricas e a dinâmica do proceso de precipitação de partículas na Anomalia Magnética do Atlântico Sul em função da atividade geomagnética. Eletrojato equatorial A comparação entre as variações médias diárias da componente H obtidas em Huancayo (Perú) e em Eusébio mostram que o eletrojato é mais fraco próximo a Fortaleza. As variações da componente D índicam que o sistema de corrente Sq muda do hemisfério norte para o sul e vice-versa de forma diferente em Eusébio e em Huancayo. (Kane e Trivedi, 1982; 1985a). Conteúdo eletrónico Observações feitas em 3 locais distintos na América do Norte mostram que além das variações diárias nos valores do conteúdo eletrônico total ( ~ 30%), durante dias considerados magneticamente calmos, existem variações entre as três localidades ( de mais de 30%) indicando a presença de uma componente variável de origem local em escalas que variam de poucas centenas até 1000 km (Kane, 1982a). O conteúdo eletrônico total da ionosfera mostra também grandes variações durante tempestades magnéticas devido ao fluxo irregular de elétrons da região auroral para a região equatorial (Kane, 1982b). Na região da América do Sul as variações diárias nas características da f 0 F 2 para estações situadas em latitudes "dip" semelhantes tanto em hemisférios diferentes como em longitudes diferentes mas no mesmo hemisfério, apresentam consideráveis diferenças que são atribuídas à precipitação irregular de elétrons de baixa energia da magnetosfera (Kane 1982c, 1982a, 1982b; Kane e Paula, 1982). A precipitação de partículas na região F 2 da ionosfera observada nas vizinhanças da Anomalia Magnética do Atlântico Sul foi estudada através da comparação entre estações com ângulos "dip". latitudes magnéticas e parâ-

8 40 A. Mendes da Costa, L. Rizzo Piazza y P. Kaufmann Revista Geofísica 25 metros L similares. A estação localizada no continente sul africano apresentou valores f 0 F 2 nas horas do entardecer maiores que os obtidos na estação localizada na costa leste Sul americana. Esse efeito em excesso se deve, em parte, à precipitação de partículas que podem ser tanto íons de alguns MeV ou elétrons secundários de poucas centenas de e V em regiões de latitudes médias na África do Sul. Em baixas latitudes, Buenos Aires mostrou fof 2 maior ao entardecer incidando sua provável vizinhança com a região da Anomalia (Kane, 1982d). Tempestades magnéticas A comparação entre os dados obtidos pelo satélite MAGSAT e aqueles coletados na superfície durante tempestades magnéticas mostra que as correntes que causam as tempestades são provenientes da magnetosfera e não da ionosfera (Kane, 1985; Kane e Trivedi, 1985b). Componente lunar A amplitude da componente lunar no campo magnético terrestre, embora muito reduzida, foi calculada através de método proposto por Trivedi e Kane (1985). Relações solares-terrestres na antártica Desde o verão 1982/1983 pesquisas sobre relações solares-terrestres tem sido realizadas na Antártica tanto à bordo do navio polar Barão de Teffé como na Estação Antártica Comandante Ferraz (62º 05' S; 58º 23' W). Alguns resultados preliminares referem-se à: a) medidas simultâneas geomagnéticas e magnetotelúricas visando estudos sobre variações temporais do campo geomagnético causadas pelas correntes elétricas na ionosfera e magnetosfera terrestre (Trivedi et al., 1985); b) alterações no comportamento da baixa ionosfera e seus efeitos na propagação do sinal de frequência muito baixa (VLF) tais como os devidos à precipitação de partículas solares (Rizzo Piazza et al., 1984a), a formação da região C durante o amanhecer em diferentes latitudes, efeito atribuido à raios cósmicos de origem galática (Rizzo Piazza et al., 1984b) e comparação da propagação de sinais Omega de VLF durante o verão na península Antártica, incluindo o efeito de 90 distúrbios ionosféricos causados por explosões solares (Kaufmann et al., 1985) e e) medidas do fluxo e espectro de raios 'Y com energia entre 0.2 e 10 Me V com balões estratosféricos nessas altitudes são devido à interações eletromagnéticas complexas entre raios cósmicos e constituintes atmosféricos (Jayanthi et al., 1984). Bibliografía Abdu, M.A.; Batista, I.S.; Kantor, J.; Sobral, J.H.A. "Gravity wave induced ionization layers in the nigh F-region at Low Latitudes". J. Atmos. Terr. Phys., 44, , 1982a.

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10 42 A. Mendes da Costa, L. Rizzo Piazza y P. Kaufmann Revista Geofísica 25 association to local energetic particle precipitation". Geo phys. Res. Lett., 9, 567, González-A., W.D.; González, A.L.C. "Energy transfer by magnetopause reconnection and the substorm parameter e". Planet. Space-Science, 32, 1007, González, W.D. "Electric field and energy transfer by magnetopause reconnection". Solar wing-magnetosphere coupling, Ed. J. Slavin and Y. Kamide, AGU, no prelo, Jayanthi, V.B.; Braga, J.; Correa, R.V.; Blanco, F.G. "Atmospheric gamma ray spectrum at balloon altitudes in Antartic region". Simpósio Nacional do Programa Antártico, São Paulo, outubro Kane, R.P: "Comparison of Changes in the Ionospheric total electron content at mid-latitude locations few hundred kilometers apart". Annales de Geophys., 38, , 1982a. Kane, R.P. "Complexities of the storm-time characteristics of a ionospheric to.tal electron content". Annales de Geophys., 38, , 1982b. Kane, R.P. Longitudinal and latitudinal anormalities in the daily variation of f 0 F2 in the South American region" Annales de Geophys., 38, , 1982c. Kane, R.P. "Particle precipitation in the ionospheric F2 region at locations in the vicinity of the south-atlantic magnetic anomaly". Annales de Geophys., 38, , 1982d. Kane, R.P. "Comparison of f 0 F2 characteristics at nearby locations in the South America Region". J. Geomag. Geoelect., 36, , 1984a. Kane, R.P. "Differential behaviour of the equatorial ionosphere on the Eastern and Western Coasts of the South American Continent". J. Geomag. Geoelect., 36, , 1984b. Kane, R.P. "Comparison of SSC magnitudes at MAGSAT altitudes ( km) and at ground locations". J. Geophys. Res., 90, , Kane, R.P.; Paula, E.R. "Comparison of f 0 F2 Characteristics at Similar Low Latitudes but Different Longitudes in the South American Region". J. Atmos. Terr. Phys., 44, 9-11, Kane, R.P.; Sahai, Y.; Teixeira, N.R. "Low latitude total ozone measurements in the Brazilian sector". Pure and Applied Geophysics, 120, , Kane, R.P.; Trivedi, N.B. "Comparison of equatorialelectrojetcharacteristics at Huancayo and Eusebio (Fortaleza) in the South-American Region". J. Atmos. Terr. Phys., 44, , Kane, R.P.; Trivedi, N.B. "Equatorial electrojet movements at Huancayo and Euzebio (Fortaleza) on selected quiet days". J. Geomag. Geoelect., 37, 1-9, 1985a. Kane, R.P.; Trivedi, N.B. "Storm-time changes of geomagnetic field at MAGSAT altitudes ( km) and their comparison with changes at ground locations". J. Geophys. Res., 90, , 1985b.

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12 44 A. Mendes da Costa, L. Rizzo Piazza y P. Kaufmann Revista Geofísica 25 Sahai, Y.; Bittencourt, J.A.; Teixeira, N.R.; Takahashi, H. "Observations of large F-region irregularities using airglow emissions at 7774Á and 6300Á". Annales Geophysicae; 1, , Sahai, Y.; Kane, R.P.; Teixeira, N.R. "Low-latitude total ozone measurements in the brazilian sector". Pure and Applied Geophysics, 120, Simonich, D.M; Clemesha, B.R. Resonant extinction of lidar returns from the Alkai metal layers in the upper atmosphere". Applied Optics, 22, , Sobral, J.H.A.; Abdu, M.A.; Sahai, Y. "Equatorial plasma bubble eastward velocity characteristics from scanning airglow photometer measurements over Cachoeira Paulista". J. Atmos. Terr. Phys., no prelo, Takahashi, H.; Batista, P.P.; Sahai, Y.; Clemesha, B.R. "Atmopsheric wave propagations in the mesopause region oberved by the OH (8.3) band, NaD, 0 2 A (8645Á) band and OI 5577 A nightglow emissions". Planet Space. Sci. 33, , Takahashi, H.; Sahai, Y.; Batista, P.P. "Tidal and solar cycle effects on the OI 5577 A, NaD and OH (8,3) airglow emissions observed at 23ºS". Planet. Space Science, 32, , Tinsley, B.A.; Rohrbaugh, R.1P.; Sahai, Y.; Teixeira. N.R.."Energetic oxygen precipitation as a source of vibrationally excited N2 in emission observed at low latitude". Geophys. Res. Lett. 9, , Trivedi, N.B.; Kane, R.P. "Solar and lunar daily variation at low latitudes during quiet and disturbed days". Annales Geophysicae, 3, , Trivedi, N.B.; Padilha, J.C.A.; Souza, E.G. "Medidas geomagnéticas na Antártica". lo. Encontro Regional de Geofísica, SBGF, São José dos Campos, SP, novembro Vilas Boas, J.W.S.; Paes Leme, N.M.; Rizzo Pizza, L., Mendes da Costa, A.; Macedo Moura, M.S.S. "Local and long-distance effects of meteor showers in the low terrestrial ionosphere". J. Atmos. Terr. Phys., no prelo, Zamlutti, C.J. "On incoherent scatter observations of MID-Latitude sporadic E and comments on its data analysis". J. Atmos. Terr. Phys., 45, 2/3, 79-87, 1983.