INFLUÊNCIA DA DINÂMICA DO PLASMA SOLAR NA MAGNETOSFERA E ATMOSFERA DA TERRA E POSSÍVEIS EFEITOS NA MUDANÇA CLIMÁTICA DO PLANETA

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1 Anais do XVI Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XVII ENCITA / 2011 Instituto Tecnológico de Aeronáutica São José dos Campos SP Brasil 19 de outubro de 2011 INFLUÊNCIA DA DINÂMICA DO PLASMA SOLAR NA MAGNETOSFERA E ATMOSFERA DA TERRA E POSSÍVEIS EFEITOS NA MUDANÇA CLIMÁTICA DO PLANETA Bruno Lima Silva Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA Praça Marechal Eduardo Gomes 50 Vila das Acácias São José dos Campos/SP Bolsista PIBIC-CNPq brunosk182@gmail.com Inacio Malmonge Martin Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA Praça Marechal Eduardo Gomes 50 Vila das Acácias São José dos Campos/SP martin@ita.br Resumo. Radiação ionizante é aquela capaz de iniciar o processo de ionização. Apresentam esta característica a radiação gama radiação X nêutrons térmicos e partículas carregadas. No sentido de obter índices deste tipo de radiação o projeto teve como propósito identificar características de sua emissão e relacionar tal fenômeno às chuvas e descargas elétricas especificamente aos relâmpagos. Para tanto foi construído um sistema de aquisição de dados na interface solo-ar da cidade de São José dos Campos composto por tubos detectores de radiação (geiger e NaI[T1]) e detectores de pulsos de voltagem ou pulsadores (RM-60 e PMI-30 pro) além de um computador portátil contendo um software adequado para o processo de medição (Aw-Radw). Mediante a aquisição de informação foi organizado um banco de dados com relatórios de medidas e gráficos de radiação gama de modo a possibilitar a determinação do nível de radiação de fundo (background) e verificar a intensificação em sua emissão nos períodos chuvosos. Estes parâmetros são importantes no estudo das possíveis causas que acarretam o visível efeito climático do planeta Terra. Palavras chave: radiação ionizante radiação gama detectores de radiação relâmpagos. 1. Introdução A radiação ionizante presente no ar tem origem de causas naturais e artificiais. As fontes naturais representam aproximadamente 70% da emissão de radiação. Desta parcela a presença do elemento rádio e de radionuclideos de potássio tório e urânio encontrados no solo é responsável por cerca de 80% de seu total. A radiação cósmica oriunda do espaço é também responsável por uma fração porém pequena. O processo de medição utiliza o princípio básico da transferência de energia da radiação incidente para o material do tubo detector. Esta transferência acontece através de processos de interação fundamentais: a ionização e a excitação dos átomos ou moléculas do detector. Para os diferentes tipos de radiação detectores específicos devem ser empregados. 2. Materiais e metodologia Compõe o sistema de aquisição de dados dois tubos detectores um detector geiger e um cristal de iodeto de sódio ativado com tálio NaI(Tl) acoplado a uma fotomultiplicadora (transdutor óptico-elétrico) detectores de pulsos de voltagem ou pulsadores eletrônicas da Aware Electronics Inc USA modelos RM-60 e PMI-30 pro e um computador portátil. A montagem do sistema de medição de radiação gama conforme ilustra a figura 2.1 consiste em fixar o tubo detector na posição vertical de forma a manter desempedida sua área lateral conectá-lo a um pulsador alimentado pela rede elétrica ligar o detector de pulsos ao computador por uma porta serial e executar o software Aw- Radw responsável por criar relatórios de texto e gráficos em tempo real referentes à radiação ionizante medida no momento. Este processo simples e totalmente portatil permite efetuar a medida da intensidade da radiação ionizante (raios X gama partículas carregadas e mesmo neutrons térmicos) no local desejado.

2 Anais do XVI ENCITA ITA 20 de outubro de 2010 Figura 2.1 Sistema de medição de radiação gama Devidamente calibrado o sistema foi instalado num laboratório da Divisão de Ciências Fundamentais no Instituto Tecnológico de Aeronáutica localizado na cidade de São José dos Campos SP. Permaneceu em operação entre de junho de 2010 e agosto de 2011 chegando a coletar dados ininterruptamente por mais de 70 dias. Desta maneira obtiveram-se relatórios de medidas em diferentes condições de temperatura umidade pressão chuvas e relâmpagos. Os dados dos relatórios de texto foram então transferidos para o software Origin Pro 8 e plotaram-se gráficos do fluxo da radiação ionizante no intervalo de energia de 30 KeV a 10 MeV. Com o grande número de medidas organizou-se um banco de dados no qual constam os relatórios de textos seus respectivos gráficos e observações a respeito das condições meteorológicas no momento da aquisição da informação. 2.1.Tubos detectores Detectores gasosos operam pelo princípio da ionização. Este é um processo no qual a radiação possui energia suficiente para arrancar elétrons de um determinado átomo resultando na formação de um elétron livre e um cátion. O detector Geiger-Müller utilizado na detecção de raios gama raios X e partículas carregadas é um dispositivo que opera a uma tensão alta de ~ 1000 VDC cuja estrutura básica consiste num tubo metálico com um fio central positivamente carregado o ânodo em relação à parede externa e o cátodo. Figura 2.2 Esquema básico do detector Geiger-Müller empregado neste trabalho. Seu interior é preenchido com uma mistura de gases contendo xenônio ou argônio a baixa pressão ~ 4 atmosferas. As partículas carregadas tendem a interagir diretamente com o gás ionizando seus átomos. A radiação gama interage através dos efeitos fotoelétrico Compton e produção de pares mais freqüentemente com átomos que possuem muitos elétrons desta forma com os átomos constituintes da parede externa do que com os átomos do gás. Tal interação separa elétrons daqueles átomos os elétrons por sua vez como partículas carregadas ionizam o gás separando-o também em pares de íons. O cátion acaba atraído pelo cátodo enquanto o elétron atraído pelo ânodo gera um sinal elétrico pulso rápido que deve ser trabalhado para análise na acquisição. Detectores de cintilação operam segundo os princípios da ionização e da excitação. A excitação é um processo no qual a energia da radiação faz com que um elétron de um átomo salte de sua camada estável para uma mais energética e em

3 Anais do XVI ENCITA ITA 20 de outubro de 2010 seu retorno libere energia luminosa na forma de um fóton. Para radiação gama o fóton gerado pela excitação eletrônica é da região azul do espectro óptico. O elemento sensor para este tipo de radiação é tipicamente um cristal de iodeto de sódio dopado com tálio [NaI(T1)]. O cristal do cintilador fica dentro de uma capa de alumínio com janela de vidro para não expô-lo ao vapor do ar e desta forma deixá-lo inutilizável. A capa ainda elimina efetivamente a absorção de partículas alfa e beta fora do alcance do cristal. A energia luminosa azul é convertida num sinal elétrico por uma fotomultiplicadora um transdutor óptico-elétrico. Este pulso rápido é trabalhado para permitir sua aquisição. 2.2.Pulsadores Os sinais elétricos provenientes dos tubos detectores passam por um resistor e são transformados em pulsos de voltagem sensíveis na faixa de 2mV a 60mV de pico e a seguir transmitidos ao detector de pulsos. Os detectores de pulsos empregados são eletrônicas da Aware Eletrocnics Inc USA modelos PMI-30 pro. Nestes são quantificados os níveis de pulso (energia) e fluxo das radiações ionizantes. Os sinais analógicos são então convertidos em sinais digitais e através de uma porta serial transmitidos ao computador portátil. 2.3.Computador portátil No computador portátil executa-se o software Aw-Radw o qual registra os dados em relatórios de texto no formato.txt e em formato.rad além de exibir gráficos em tempo real da radiação ionizante medida no momento. Nos relatórios as medidas de intensidade são feitas em dose na unidade µr/h (microröntgen Equivalent Man por hora) ou em fluxo em unidades ajustáveis (utiliza-se como padrão contagens por minuto). Os relatórios de ambos os detectores são posteriormente transformados em gráficos com auxílio do software Origin Pro 8. No caso acima é para as medidas efetuadas pelo Geiger RM-60. Para os detetores da radiação gama com o cristal de Iodeto de Sódio e para o detetor de nêutrons o mesmo processo é empregado (PMI-30) porem agora com a intensidade dada em contagens/minuto em função do tempo (minutos horas ou dias). 2.4.Calibração Antes de iniciar a aquisição de dados para assegurar a validade das medidas de radiação ionizante foi preciso calibrar os detectores de pulsos isto é ajustar seus limiares de operação em termos de tensão (na ordem de grandeza de mv) proporcional a energia e de fluxo incidente e da intensidade de chegada dos pulsos ou seja freqüência na aquisição. Figura 2.3 Calibração do pulsador PMI-30 pro Para tanto no caso da calibração do modelo PMI-30 pro primeiramente verificou-se a tensão da rede com um multímetro modelo Minipa ET-2024C o qual forneceu o valor eficaz de 124 V. A tensão da rede é transformada por um adaptador e alimenta o detector de pulsos com 12 VDC. Para medição de radiação gama esta tensão deve ser amplificada pelo pulsador na faixa de 1500 a 1600 VDC (raios gama). Assim com uma chave de fenda atuou-se em um trimpôt de forma a ajustar o valor médio da tensão amplificada verificada com um circuito de Wheatstone.

4 Anais do XVI ENCITA ITA 20 de outubro de 2010 Figura 3.4 Pulsador PMI-30 pro Atuou-se ainda num segundo trimpot para possibilitar a leitura no pulsador de tensões na faixa de 2 a 60 mv. A seguir conectou-se o sinal proveniente do gerador de funções HP33120A ao canal 1 do osciloscópio e à entrada do circuito divisor de tensão cuja saída foi conectada ao canal 2 do osciloscópio e ao detector de pulsos PMI-30 pro. Figura 5 Circuito divisor de tensão Na interface do software Aw-Radw ajustou-se o período de exibição do relatório de medição para 1 segundo. Deste modo foi possível verificar o funcionamento do sistema pela comparação direta entre o valor exibido pelo relatório e pelo mostrado no painel do gerador de funções. Trabalhando na faixa de 100 Hz a 100 Khz verificou-se que ambos apresentavam o mesmo valor até 70 Khz isto é o pulsador foi calibrado para realizar até contagens por segundo valor bem superior aos picos de radiação encontrados durante segundos minutos. 3. Resultados A figura 3.1 exibe médias históricas de temperaturas e chuvas na cidade de São José dos Campos: Mês Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Temperatura Máxima Média ( C) Temperatura Mínima Média ( C) Chuvas (mm) Figura 3.1 Médias históricas de temperaturas e chuvas em São José dos Campos(Aeroporto SJC CTA). A figura 3.2 apresenta medidas de fluxo de radiação gama realizadas pelo tubo detector de NaI(T1) com pulsador PMI- 30 pro durante o período de 29 de março a junho de 2011:

5 Anais do XVI ENCITA ITA 20 de outubro de 2010 Figura 3.2 Fluxo de radiação gama no período de março a julho de 2011 medidas no ITA Depto de Física. Pelo software Origin 8.0 verifica-se que a média do fluxo de radiação gama vale Pode-se ainda notar que nenhuma das medidas supera a casa das contagens por minuto. Nota-se uma variabilidade diurna ~ 1 dia de período ocorrida pelo efeito noite dia maior e menor densidade de ar na interface solo-ar local. A figura 3.3 apresenta medidas realizadas durante o período de 14 de junho a julho de 2011: Figura 3.3 Fluxo de radiação gama de junho a julho de 2011 medidas no ITA Depto.de Física. No gráfico acima verifica-se que a média do fluxo de radiação gama vale contagens por minuto. A figura 3.4 apresenta medidas de dose de radiação gama realizadas pelo tubo detector geiger tipo RM-60 durante o período de 21 de junho a julho de 2011.

6 Anais do XVI ENCITA ITA 20 de outubro de 2010 Figura 3.4 Dose de radiação gama de junho a julho de 2011 medido no ITA Depto. De Física. Verifica-se pelo próprio ajuste linear no gráfico acima que a média de dose de radiação vale 20 μrem/h. Pela figura 3.1 pode-se observar que o período no qual as medidas anteriores foram realizadas entre março e agosto apresenta os menores índices de chuva de todo o ano. Deste modo mediante análise destas e de outras medidas do banco de dados estima-se que a intensidade de radiação de fundo (background) seja de em unidades de fluxo contagens por minuto e em unidades de dose de 20 μrem/h. A figura 3.5 apresenta medidas de fluxo de radiação gama realizadas pelo tubo detector de NaI(T1) com pulsador PMI- 30 pro durante os dias 22 e 23 de janeiro de 2011: Figura 3.5 Fluxo de radiação gama em janeiro 2010 medido no ITA Depto. de Física. Pelo software Origin 8.0 verifica-se que a média do fluxo de radiação gama vale Nota-se que a média é superior aquelas do período de baixo índice de chuvas. Tomando apenas o intervalo de 12:00 as 24:00 do dia 23 do gráfico da figura 3.5 obtém-se:

7 Anais do XVI ENCITA ITA 20 de outubro de 2010 Figura 3.6 Fluxo de radiação gama em 23 de janeiro 2010 medido no ITA Depto de Física. Observa-se na figura 3.6 que a maior parte das medidas se comporta entre e contagens por minuto. Todavia das 16:00 as 18:00 horas verifica-se um aumento substancial na emissão de radiação com medidas atingindo quase contagens por minuto. Durante este mesmo horário no local da aquisição de dados foram registradas chuvas intensas e relâmpagos(aeroporto de SJC CTA). A figura 3.7 apresenta medidas de fluxo de radiação gama realizadas durante os dias 18 e 22 de agosto de 2011: Figura 3.7 Fluxo de radiação gama em agosto de 2011 medido no ITA Departamento de Física. Verifica-se que a média do fluxo de radiação vale Entretanto existem dois picos nas medidas o primeiro atingindo e o segundo contagens por minuto. No momento do primeiro pico foram registradas chuvas intensas enquanto que no momento do segundo ocorreram chuvas mais amenas. Neste caso estas foram as primeiras chuvas vindas do Sul após um período de estiagem com umidades relativas do ar abaixo de 30%. Estas chuvas trazem grandes quantidades de gás radônio vindas pelo vento e ar sendo esse fenômeno o causador dos picos de radiação gama registrados na figura acima. A figura 3.8 apresenta medidas de dose de radiação gama realizadas pelo tubo geiger RM-60 entre os dias 01 e 03 de novembro de 2010:

8 Anais do XVI ENCITA ITA 20 de outubro de 2010 Figura 3.8 Dose de radiação gama em novembro 2010 medido no ITA Departamento de Física. Pode-se verificar na figura acima que o valor médio de dose é 2285 μrem/h. Novamente nota-se que a média é superior aquela do período de baixo índice de chuvas. Plotando o espectro de freqüência do gráfico da figura 3.2 obtém-se: Figura 3.9 Espectro de freqüência da radiação gama( Mauro A Alves e I M Martin a SBPC). No gráfico anterior verifica-se um pico diário na emissão de radiação gama. Este fenômeno está relacionado ao sol especificamente a sua emissão de radiação cósmica e a variação da pressão e densidade do dia para noite. Pela noite há uma queda de temperatura e sua densidade torna-se maior se comparada pelo dia período no qual há um aumento na temperatura da atmosfera. Desta forma com uma quantidade de ar maior ou menor na interface solo-ar existe respectivamente aumento ou diminuição na emissão de radiação cósmica secundária medidas pelos tubos detectores geiger e NaI(T1). 4.Conclusões Entre junho de 2010 e agosto de 2011 num laboratório da Divisão de Ciências Fundamentais Departamento de Física no Instituto Tecnológico de Aeronáutica localizado na cidade de São José dos Campos SP Brasil foi realizada a aquisição de dados da emissão de radiação gama em diferentes condições meteorológicas. Os detetores foram colocados

9 Anais do XVI ENCITA ITA 20 de outubro de 2010 na interface solo-ar. A partir das medidas foi possível organizar um banco de dados. Mediante a análise dos gráficos contidos no banco de dados estimou-se um valor para radiação de fundo e verificou-se que a emissão de radiação gama é maior entre os meses de novembro a fevereiro período de altos índices de chuvas e menor entre os meses de maio a julho período dos mais baixos índices de chuvas. Observando um intervalo de 12 horas pode-se notar um aumento substancial nas medidas de radiação durante um período no qual houve chuvas intensas e relâmpagos. Verificou-se ainda um fenômeno que pode ser associado ao sol o qual ocasiona a variação diurna na emissão de radiação gama com período exatamente de um dia como mostram as figuras 3.2 e 3.9. Também no mês de agosto veja figura 3.7 após o término de um período seco com umidade relativa abaixo de 30% observa-se na primeira chegada da chuva do sul ~ as 10:00 horas local do dia 20/08/2011 a radiação gama vinda pelo vento através do gás radônio perfazendo da ordem de 10% a mais na radiação de fundo do dia local. Vale ressaltar que a observação deste fenômeno com um dispositivo experimental pequeno e portátil aconteceu pela primeira vez no Brasil. Por fim seria interessante realizar mais medidas em diferentes lugares por períodos mais longos de forma a possibilitar conclusões mais precisas das características da radiação ionizante e de sua relação com a emissão de relâmpagos. O fluxo do ruído de fundo da radiação gama no local entre 30KeV e 10 Mev obtido através das contagens contagens/minuto é de 2 x 10-2 fotons/cm 2. s. 5. Agradecimentos Agradeço ao Professor orientador Inácio Malmonge Martin pela insistência em ensinar-me apesar dos contínuos erros e repetidos enganos. Também ao ITA e ao CNPq por suportarem a parte de infra-instrutora e financeira deste trabalho. 6. Referências MARTIN INACIO M. ALVES MAURO A. Monitoração de Radiação Gama Ambiental: Observação de Variações Diurnas e Efeitos Atmosféricos em São José dos Campos SP 63a Reunião Anual da SBPC Julho de 2011 Goiânia Brasil; MARTIN INACIO M. ALVES MAURO A Observation of a possible neutron burst associated with a lightning discharge Brasil Journal Geophysical Review 2010 Volume 115 Issue 6 CiteID A00E11 JGR USA doi: /2009ja014498; LEONID. P. BABICH ROBERT A. ROUSSEL-DUPRÉ 2007 The origin of neutron flux increases observed in correlation with lightning Russian Federal Nuclear Center VNIIEF Sarov Nizhegorodskaya oblast Russia; EROSHENKO E. VELINOV P. BELOV A. YANKE V. PLETNIKOV E. TASSEV Y. MISHEV A. MATEEV L Relationships between neutron fluxes and rain flows Russia/Bulgaria doi: /j.asr ; MARTIN INACIO M. ALVES MAURO A. MIGUEL ÂNGELO A. Jr. ALVES TOBIAS E.; Medidas da dose de radiação ionizante no período 2008 a 2011 em São José dos Campos SP Brasil. 63a Reunião Anual da SBPC julho de 2011 Goiânia/GO Brasil; LIMA C. A. Dissertação Universidade Federal do Rio de Janeiro Avaliação da performance dos detetores iodeto de sódio NaI(T1) em centrais nucleares COPPE 2006 Brasil; SANTOS R. L. M. G. Anais do 13º encontro de iniciação científica e pós-graduação do ITA Medidas e estudos da radiação ionizante durante tempestades intensas (MERITI) Instituto Tecnológico de Aeronáutica 2007 Brasil; SANTOS J. P. M. G. Anais do 15º encontro de iniciação científica e pós-graduação do ITA Monitoramento da radiação ionizante entre 50 KeV e 5 MeV no solo e até 5 Km de altura no Vale do Paraíba com detetor GM detetor de nêutron térmico e detetor NaI(Tl) Instituto Tecnológico de Aeronáutica 2009 Brasil; SOUSA D. C. R. Anais do 16º encontro de iniciação científica e pós-graduação do ITA Medida de radiação x gama e nêutrons térmicos na interface solo-ar Instituto Tecnológico de Aeronáutica 2010 Brasil; SANCHES M. P. IPEN Fundamentos de radioproteção Gamma Scout Detector Geiger-Müller R-60 Detector

10 Anais do XVI ENCITA ITA 20 de outubro de 2010 TGM Neutron Detectors