ESTUDO DE CASO: SIMULAÇÃO DA TRAJETÓRIA DE PROPAGAÇÃO DE ONDAS ELETROMAGNÉTICAS A PARTIR DE DADOS DE RADIOSSONDAS

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1 ESTUDO DE CASO: SIMULAÇÃO DA TRAJETÓRIA DE PROPAGAÇÃO DE ONDAS ELETROMAGNÉTICAS A PARTIR DE DADOS DE RADIOSSONDAS José Felipe da Silva Farias 1, Paulo Roberto Pelufo Foster RESUMO Este trabalho analisa os resultados de uma simulação para determinar a trajetória de ondas eletromagnéticas emitidas por um radar meteorológico. Foram utilizados dados de radiossonda lançadas de Porto Alegre RS, Brasil (3 S, 51 W, 3 m). Resultados da simulação da trajetória das ondas eletromagnéticas emitidas por radares meteorológicos mostraram que as anomalias de refração que ocorrem próximo da superfície da Terra são as que provocaram os maiores desvios na trajetória das ondas eletromagnéticas. Observou-se, ainda, que quanto menor for ângulo de elevação maior é o efeito de desvio provocado pelas anomalias de refração. ABSTRACT - This work analyzes the results of a simulation to determine the trajectory of electromagnetic waves emitted by weather radar. They had been used given of radiossonda launched of Porto Alegre - RS, Brazil (3ºS, 51ºW, 3 m). Results of the simulation of the electromagnetic waves trajectory emitted by weather radars showed that the refraction anomalies that occur next to the surface of the Land are the ones that provoke greaters shunting lines in the trajectory of the electromagnetic waves. It was observed that how much lesser will be bigger angle of elevation it is the shunting line effect provoked for the refraction anomalies. Palavras chaves: Trajetória de onda, radar meteorológico, propagação. INTRODUÇÃO Quando se propaga na atmosfera entre meios de composição e ou densidade diferente, uma onda eletromagnética sofre pequenas mudanças na velocidade e na direção de propagação. Essas mudanças são provocadas pela variação vertical do índice de refração atmosférico, que causa diferentes tipos desvios de trajetória: refração normal, sub-refração, super-refração e dutos. Em decorrência, o alcance máximo das ondas de um radar meteorológico é influenciado, 1 Bolsista de Iniciação Científica (PIBIC/CNPq - UFPEL). Campus Universitário Capão do Leão. Caixa Postal 354, CEP Pelotas, RS. jfsfarias@yahoo.com.br Professor Doutor, Departamento de Meteorologia, Campus Universitário Capão do Leão. Caixa Postal CEP Pelotas, RS. pfoster@ufpel.edu.br.

2 principalmente, pelo conjunto de diferentes tipos de anomalias que ocupam o perfil vertical da atmosfera, assim como, as anomalias que apresentam camadas de maior espessura também são responsáveis pelos maiores desvios. Como a refração atmosférica pode alterar a trajetória de propagação da energia eletromagnética, este trabalho tem como objetivos: determinar a trajetória que teria uma onda eletromagnética, sob influência dos diferentes tipos de refração; e, também, mostrar como a grande variedade espacial e temporal destes fenômenos, pode provocar imprecisão nos equipamentos de transmissão e recepção de ondas eletromagnéticas, como os sistemas de telecomunicações, posicionamento global, radares e satélites meteorológicos. MATERIAL E MÉTODOS Os dados utilizados nesse trabalho referem-se aos dias 5, 6 e 7 de setembro de, obtidos de radiossondagens realizadas no período diurno (1TMG) na estação aerológica (latitude: 3 S, longitude: 51 W, altitude: 3 m), localizada no Aeroporto Internacional Salgado Filho, na cidade de Porto Alegre, RS - Brasil. A radiossonda utilizada nas sondagens foi a microssonda GPS VIS Mark-II. A propagação de microondas na atmosfera é determinada pelas variações do índice de refração atmosférico (n). Como seu valor é muito próximo da unidade, em vez de se utilizar o índice de refração do ar, utiliza-se a quantidade denominada radiorefratividade (N). A radiorefratividade, em termos das variáveis atmosféricas, foi determinada pela equação sugerida por BEAN e DUTTON (1968), sendo função da pressão atmosférica (hpa), da temperatura (K) e da pressão de vapor (hpa). 77,6 e N = p = (n - 1)1 T T 6 Como existem diferentes formas para o cálculo da pressão de vapor (e), os autores utilizaram o método de WEXLER (197), anteriormente utilizado por ALONSO e FOSTER (1), apresentando pouca distorção para medidas de vapor d água em baixos e altos níveis. Para cada uma das sondagens, foi calculado o perfil vertical do índice de refração (dn/dz). Este perfil vertical foi o parâmetro utilizado para classificar as anomalias da refração, segundo o método proposto por ALMOND e CLARKE (1973) que podem ser expressos como:

3 refração normal (- 79 < dn/dz < ) - o efeito da refração normal é curvar para baixo a trajetória das ondas, acompanhando a curvatura da Terra e aumentando o alcance das ondas eletromagnéticas em relação ao horizonte geográfico; sub-refração (dn/dz > ) - consiste num desvio, para cima, da trajetória original das ondas, em direção contrária à superfície terrestre, diminuindo, assim, o alcance máximo de detecção; super-refração (157 < dn/dz< -79) - a curvatura da trajetória da onda aumenta para baixo, ou seja, o feixe é desviado para baixo do alvo, na direção da superfície terrestre; duto (dn/dz < -157 ) - quando a refração é muito forte, a onda eletromagnética fica oscilando dentro de uma mesma camada da atmosfera, e essa camada é denominada de duto. Com base em pesquisas realizadas por BATTAN (1973), DOCKERY (1988), DOVIAK e ZRNIC (1993), BABIM (1995) e MACHADO (5), a trajetória das ondas pode ser calculada em função do índice de refração (n) ou da refratividade (N) e do ângulo de elevação (φ ), a partir de um dado ângulo de elevação inicial (figura 1). De acordo com a bibliografia acima citada, através da simulação da propagação de um feixe eletromagnético de um radar meteorológico, pode-se observar qual será o percurso, altitudes e distâncias alcançadas em cada camada da atmosfera através da equação: φ h φ h h = R + n n onde: φ = ângulo de elevação na altitude h o ; φ h = ângulo de elevação na altitude h; h o = altura da fonte; h = altura da camada; n = índice de refração; n o = índice de refração em h o ; R = raio da Terra; n = 1 + N.1-6 Figura 1 Trajetória de onda eletromagnética através de um ângulo de elevação inicial. Fonte: Battan, 1973.

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO A figura 1 mostra a simulação das trajetórias de propagação, para ângulos de elevação inicial diferentes. Nessas figuras, devido à escala vertical ser muito menor que a horizontal, não é possível mostrar com clareza os desvios de trajetória provocados pelas anomalias de refração. Para o dia 5/9/, a sondagem da atmosfera mostrou a presença de um duto de superfície e mais três camadas onde ocorreu super-refração, como mostra a figura 3. Os gráficos das trajetórias de propagação mostram que nesse dia a trajetória da onda foi a que teve a menor elevação, ou a que teve seu percurso mais próximo da superfície da Terra. Logo, o alcance máximo de uma onda emitida com ângulo de elevação,1 grau, foi de aproximadamente 3 km a uma altitude de 1 metros. No dia seguinte (6/9/) a sondagem mostrou uma camada de super-refração na superfície, com 73 metros de espessura e uma camada de sub-refração com 131 metros logo acima. Nesse dia a previsão de trajetória de onda teve o menor alcance, atingindo a altitude de 1 metros numa distância horizontal de 16 km, para um ângulo de elevação inicial de,1 grau, ou seja, o alcance da onda nesse dia foi 14 km menor do que o dia anterior. Esse valor é muito significativo, pois tanto para observação meteorológica quanto em transmissões de comunicações, essa distância pode significar a presença de fenômenos meteorológicos sobre uma região ou o alcance ou não de uma transmissão. No dia 7/9/ a trajetória ficou entre os dois primeiros casos citados anteriormente. Embora esse caso apresente um maior número de camadas com anomalias de refração, essas em função de suas características de altitude, e principalmente de suas espessuras, não atingem os efeitos que os casos citados anteriormente.

5 m Ângulo de elevação,1 graus Km m Ângulo de elevação,1 graus Km m Ângulo de elevação,5 graus Km /9/1 6/9/1 7/9/1 Figura Trajetória das microondas para diferentes ângulos de elevação. A legenda indica os dias dos casos estudados. Figura 3 Gráficos dos perfis verticais da temperatura (T), temperatura do ponto de orvalho (Td) e da refratividade N.

6 CONCLUSÕES A simulação da trajetória das ondas eletromagnéticas emitidas por radares meteorológicos mostrou que as anomalias de refração que ocorrem próximo da superfície da Terra são as que provocam maiores desvios na trajetória das ondas. Observou-se que quanto menor for ângulo de elevação maior é o efeito de desvio provocado pelas anomalias de refração, isso é um fator importante, pois a maioria dos equipamentos de radar ou de sistemas de telecomunicações, que precisam de transmissões entre duas antenas situadas na superfície terrestre, opera com ângulos de elevação muito pequenos, ou seja, esses equipamentos quando em operação normal, tem seu desempenho mais alterado do que os equipamentos que transmitem entre a superfície e níveis mais altos, como os sistemas de comunicação com aeronaves ou nas transmissões com satélites. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALMOND, T., CLARKE, J. Consideration of the usefulness of microwave propagation prediction methods on air-to-ground paths. IEEE Proc., Part F., 13, p , ALONSO, M. F., FOSTER, P. R. P. Comparação dos principais métodos de cálculo da pressão de vapor para estudar a variabilidade espacial e temporal da refratividade atmosférica no sul do Brasil. In: X Congresso de Iniciação Científica, Pelotas-RS, 1. BABIM S.M. A case study of subrefractive conditions at Wallops Island, Virginia. Journal Applied Meteorology, 34: p , BATTAN, L.J. Radar observation of the atmosphere. University of Chicago Press, 34 p, BEAN, B.R., DUTTON, E.J. Radio Meteorology. Dover Publications, Inc., New York, 435p, DOVIAK, R. J., ZRNIC, D. S. Doppler radar and weather observations. Academic Press, Inc., San Diego, 458pp., MACHADO, C. C. Estudo das anomalias da refração atmosférica. Dissertação (Mestrado em Meteorologia com radar e satélites)- Faculdade de Meteorologia, Universidade [13] Federal de Pelotas, Pelotas, 78pp., 3. WEXLER, A. Measurement of humidity in the free atmosphere near the surface of the earth. Meteorological Monographies, 11 (33): p.6-8, 197.