COMPORTAMENTO DO TEC NA REGIÃO BRASILEIRA DE BAIXA LATIDUDE USANDO OBSERVAVEIS GPS

II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, -27 de julho de 27 ISSN 1-251, p. 5- COMPORTAMENTO DO TEC NA REGIÃO BRASILEIRA DE BAIXA LATIDUDE USANDO OBSERVAVEIS GPS CLAUDINEI RODRIGUES DE AGUIAR PAULO DE OLIVEIRA CAMARGO WILLIAM RODRIGO DAL POZ Universidade Estadual Paulista - Unesp Faculdade de Ciências e Tecnologia FCT Programa de Pós-/graduação em Ciências Cartográficas Departamento de Cartografia, Presidente Prudente SP rodrigues.aguiar@gmail.com; paulo@fct.unesp.br; dalpoz@gmail.com RESUMO - O efeito da ionosfera nos sinais na banda L, transmitidos pelos satélites GPS, passou a ser a maior fonte de erro na utilização deste sistema, após a desativação da técnica SA (Disponibilidade Seletiva). O atraso do código e o avanço da fase na propagação dos sinais GPS refletem o comportamento da ionosfera em função do TEC (Conteúdo Total de Elétrons). A determinação do TEC tem sido feita com observações coletadas com receptores GPS de dupla freqüência. No Brasil, a RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Continuo) é equipada com receptores GPS de dupla freqüência, que registram dados continuamente, se constituindo num importante meio para se obter informações da atmosfera, a partir de combinações das observáveis GPS. Neste trabalho foi realizado o estudo do comportamento diário e sazonal do TEC na região brasileira de baixa latitude. Este estudo é baseado em medidas de TEC obtidas a partir da combinação linear livre da geometria, das observáveis GPS de dupla freqüência. Os resultados mostram o comportamento do TEC em períodos de alta e baixa atividade solar. ABSTRACT - GPS has definitely established as an important tool for the determination of atmosphere parameters. After the turn off the SA (Selective Availability) the ionosphere influence became the largest error source on the band L signals broadcasted by the GPS satellites. The code delay and phase advance on propagation of GPS signals reflect the behavior of the ionosphere as function of TEC (Total Electron Content). The TEC determination has also been made with double frequency GPS data measurements. In Brazil, the RMBC (Network Brazilian for Continuous Monitoring of GPS) is equipped with dual frequency GPS receivers that register GPS data continually, and constitutes in an important database to get information of the atmosphere, from GPS observables combinations. In this paper it is presented and discussed the seasonal and diurnal behavior of the effects of TEC in low latitude, specifically in the Brazilian region. This study is based on the TEC obtained from the linear combination of dual frequency GPS observables. The results show the behavior of the TEC in period of high and low solar activity. 1 INTRODUÇÃO Além das aplicações relacionadas diretamente à obtenção de posições tridimensionais, nos últimos anos o GPS firmou-se como uma importante ferramenta para o monitoramento de importantes parâmetros da atmosfera, com destaque à ionosfera. Nos sinais do GPS, a magnitude do erro sistemático devido à refração ionosférica é diretamente proporcional ao TEC (Total Electron Content) na camada ionosférica, ou seja, ao número de elétrons presente ao longo do caminho percorrido pelo sinal, e inversamente proporcional ao quadrado da freqüência. Se o valor do TEC fosse constante ou tivesse uma variação regular, os efeitos causados pela ionosfera seriam de fácil determinação. O problema principal é que o TEC varia no tempo e no espaço em razão do fluxo de ionização solar, atividade magnética, ciclo de manchas solares, estação do ano, hora local, localização geográfica e direção do raio vetor do satélite, sendo de difícil correção (CAMARGO, 1). Por outro lado, esses sinais trans-ionosféricos permitem obter informações da ionosfera. Como a magnitude do efeito da ionosfera sobre os sinais na banda L depende da freqüência, a partir das observáveis GPS de receptores de dupla freqüência podem-se calcular parâmetros ionosféricos tais como o VTEC (Vertical Total Electron Content) e a RTEC (Rate of change of TEC). No Brasil, no Departamento de Cartografia da FCT/Unesp de Presidente Prudente, o GEGE (Grupo de Estudo em Geodésia Espacial Spatial Geodesy Study

II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, -27 de julho de 27 Group) vem investigando os efeitos da ionosfera sobre os sinais na banda L, bem como a potencialidade do GPS no monitoramento da dinâmica da ionosfera e, conseqüentemente, a sua aplicação em estudos como a geofísica espacial. A rede GPS ativa brasileira RBMC (Rede Brasileira de Monitoramento Continuo) é equipada com receptores GPS de dupla freqüência, que registram dados continuamente, se constituindo num importante banco de dados com informações da atmosfera, com destaque à ionosfera. Neste trabalho, foi realizado o estudo do comportamento diário e sazonal do TEC na região brasileira de baixa latitude. Este estudo é baseado em medidas de TEC obtidas a partir da combinação linear livre da geometria, das observáveis GPS de dupla freqüência. Nos experimentos foram utilizados dados GPS da RBMC no período de alta atividade do ciclo solar 2 (2-) e no período de baixa atividade solar (25-2). Os resultados mostram o comportamento do TEC em períodos de alta e baixa atividade solar. 2 MONITORAMENTO DA IONOSFERA Os valores do atraso ionosférico foram obtidos a partir da combinação linear livre da geometria das observáveis GPS de dupla freqüência (AGUIAR, 25; AGUIAR et al., 2): I (R) = (P 2 P 1 )F (ct GD )F (R GD )F, (1) onde I (R) é o atraso ionosférico de referência para a portadora L 1, na direção satélite/receptor. A constante 2 2 F = f 1 /(f 1 f 22 ) é obtida em função das freqüências de L 1 e L 2 e a constante c é a velocidade da luz. Os termos (T GD ) e (R GD ), representam, respectivamente, a tendência interfreqüência L 1 -L 2 dos satélites e dos receptores. Aplicando uma função de mapeamento geométrica padrão (S) em I (R) os valores do TEC absoluto na direção vertical (VTEC) podem ser calculados: 2 f [S(I 1 (R) VTEC = )]. (2) 4, A partir do VTEC calculado em cada instante de observação pode-se calcular também a RTEC. Os valores de RTEC podem ser usados como medida dos distúrbios na ionosfera (EL GIZAWY, 2) e também podem ser aplicados na análise do ruído nas observáveis GPS (AGUIAR, 25). O RTEC pode ser calculado da seguinte forma: VTEC t VTEC RTEC t = k +1 t k, () t k+1 t k onde RTEC t é a taxa de mudança do TEC observada do instante t k para o instante t k+1. A Equação permite analisar a variação temporal do VTEC na camada da ionosfera. EXPERIMENTO O objetivo dos experimentos é estudar o comportamento da ionosfera na região equatorial a partir dos valores de VTEC absoluto e de RTEC utilizando as observáveis GPS medidas numa estação de baixa latitude localizada em Presidente Prudente, Brasil, denominada PPTE (22,1º S; 51,4º W), anteriormente designada de UEPP, que pertence à rede GPS ativa RBMC, com latitude geomagnética de aproximadamente -,, sob a crista da anomalia equatorial e na direção de estruturas ionosféricas de grande escala tal como bolhas ionosféricas. Portanto, a estação PPTE está em um ponto estratégico para estudos da atividade da ionosfera. Neste trabalho foram utilizados os dados GPS da UEPP/PPTE, de 1/1/2 a 1// e de 1/1/25 a 25/7/2, abrangendo períodos de máxima atividade solar e de baixa atividade, respectivamente. Os valores de VTEC e RTEC, foram obtidos, respectivamente, a partir das Equações 2 e, utilizando pseudodistâncias obtidas a partir das portadoras L 1 e L 2, suavizadas pela fase da onda portadora, observadas com uma taxa de coleta de segundos e máscara de elevação de. O valor adotado para a altura média da camada da ionosfera foi de 4 km. Experimentos realizados em Aguiar (25) mostram que os valores VTEC obtidos com a pseudodistância suavizada pela fase são mais precisos e consideravelmente menos ruidosos (Figura 1). Atraso ionosférico observado em L 1 (m) 5 45 4 5 25 2 11 1 14 Estação PARA, PRN = 1 1 17 Horas TU (Tempo Universal) - 1/Abril/22 Pseudodistância Pseudodistância Suavizada 1 2 Figura 1 Atraso ionosférico em L 1 a partir da pseudodistância e pseudodistância suavizada. Para minimizar a influência de erro sistemático devido à órbita, foram utilizadas as efemérides precisas disponibilizadas pelo IGS (International GNSS Service) e devido às estimativas de interfreqüência dos satélites foram obtidas nos arquivos IONEX (IONosphere Map EXchange) do CODE (Center for Orbit Determination in Europe) nos arquivos IONEX. A tendência interfreqüência do receptor foi estimada para o experimento em questão.

II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, -27 de julho de 27 4 RESULTADOS E ANÁLISES devido à mudança do ângulo zenital do Sol e da intensidade do fluxo de ionização. As Figuras 2 e mostram a densidade eletrônica e a taxa de variação temporal em períodos de alta (2 e ) e baixa (25 e 2) atividade da ionosfera, bem como a sua variação temporal. Os valores de VTEC e RTEC são apresentados em unidades de TEC (TECU), sendo que 1 TECU = 1 1 el/m 2. Para o período analisado, na Figura 4 é apresentado um indicativo do nível da atividade solar, por meio do índice de fluxo solar F1.7 cm. F 1.7 cm 25 2 1 2 25 2 17 2 1 25 14 2 1 11 1 8 7 5 4 2 1 27 Figura 2 Valores de VTEC. 2,45 25 2,4,5,,1,5, 27 Figura Valores de RTEC. Na Figura 2, pode-se observar que o comportamento do TEC no período do ciclo solar 2 está associado à ocorrência de fluxo solar (Figura 4), que é proporcional ao aumento da atividade solar. Nos equinócios do período de máxima atividade no ciclo solar (2-) o VTEC chega atingir um valor médio de 17 TECU, enquanto que no período de baixa atividade (2) o valor médio do VTEC permanece abaixo de TECU. Ainda verificam-se as variações sazonais na atividade da ionosfera, caracterizadas pela influência das estações do ano na variação da densidade de elétrons, 5 5 1 2 25 5 Figura 4 Fluxo solar. Como pode-se observar nas Figuras 2 e 4, os perfis de VTEC são altamente dependentes do fluxo solar, no que diz respeito aos períodos de alta e baixa atividade solar. Com relação à variação sazonal da ionosfera, não se percebe tal correlação. O índice de medida do fluxo solar de F1.7 cm tem correlação com as manchas solares e está associada ao aumento das explosões solares (emissão de grande quantidade de energia eletromagnética do Sol) e o aumento global da radiação eletromagnética solar (DAVIES, 1; WEBSTER, 1). Logo, no período de máxima atividade solar (2 e ) ocasionou um aumento do número de manchas solares e, conseqüentemente, do número de elétrons presentes na camada ionosférica. Analisando a Figura, que mostra a variação temporal do TEC dada pela taxa de mudança do TEC (RTEC), para intervalos de segundos, observa-se que no o período de alta atividade solar o RTEC apresenta alta taxa de variação temporal, média de,4 TECU, e no período de baixa atividade solar a taxa é bem menor, com valores da ordem de, TECU. O comportamento diário da ionosfera para o período de alta atividade no ciclo solar 2 pode ser observado nos gráficos da Figura 5. Na Figura 5 observam-se as variações diurnas provocadas por mudanças que ocorrem em certas regiões da ionosfera, devido à recombinação e junção dos elétrons e íons. A principal razão da existência da variação diurna é devido à iluminação do Sol, ou seja, à radiação solar. No equinócio e solstício de verão do período de alta atividade (2-) a quantidade de elétrons é reduzida a ponto de atingir na madrugada seu valor mínimo, voltando a aumentar seu valor com o nascer do Sol. Ao longo do dia a densidade de elétrons depende da hora local, sendo que seu valor máximo ocorre entre as : e : horas local (:-: TU).

II Simpósio Brasileiro de Geomática Dia - Equinócio 5 25 2 1 5 Dia 1 - Solstício de Inverno 5 25 2 1 5 Dia - Equinócio,2,,1,5, -,5 -,1 -, -,2 Presidente Prudente - SP, -27 de julho de 27 -,2 -, -,1 -,5,,5,1,,2 Dia 1 - Solstício de Inverno -,2 -, -,1 -,5,,5,1,,2 Dia 14 - Solstício de Verão 5 25 2 1 5 Dia 14 - Solstício de Verão Horas TU - Dados UEPP de 2. Dia - Equinócio Dia 1 - Solstício de Inverno 5 25 2 1 5 5 25 2 1 5 Dia 14 - Solstício de Verão Horas TU - Dados UEPP de. Dia - Equinócio,2,,1,5, -,5 -,1 -, -,2 5 25 2 1 5 Horas TU - Dados UEPP de 2. -,2 -, -,1 -,5,,5,1,,2 Dia 1 - Solstício de Inverno -,2 -, -,1 -,5,,5,1,,2 Dia 14 - Solstício de Verão Horas TU - Dados UEPP de. Figura 5 Comportamento diário do VTEC e do RTEC no período de alta atividade da ionosfera. A região equatorial é caracterizada por um alto nível de densidade de elétrons principalmente no início da tarde, e vários fenômenos ocorrem nessa região, tais como anomalia de Appleton e espalhamento equatorial (Spread F). Na Figura 5 verifica-se também um pico decorrente da intensificação da deriva vertical do plasma ionosférico próximo ao pôr-do-sol, por volta das : TU. Ainda, pode-se ver que para os períodos de máxima atividade solar o pico ocorre em todas as estações do ano, enquanto que, para os dados analisados, no período de baixa atividade o mesmo não ocorreu. Nos gráficos de VTEC e RTEC da Figura 5 ainda pode-se notar, nos horários próximos às : TU, irregularidades no gráfico que podem ser decorrentes de distúrbios provocados por eventos como cintilações ou bolhas ionosféricas. Na Figura 5, no dia de 2 ocorreu uma tempestade geomagnética moderada, precedido e seguido por tempestades moderadas. O VETC mínimo observado no período de intensificação da deriva vertical do plasma ionosférico foi de 17 TECU e F1.7 igual a 22. No dia 1 de 2 foi considerado um dia calmo, porém o fluxo solar F1.7 foi de 22. O dia 14 de 2 foi precedido por uma tempestade geomagnética intensa e seguido por uma tempestade moderada. Nos períodos que antecederam as : TU observa-se um VTEC mínimo de 14 TECU e F1.7 igual a 1. O dia de (Figura 5) foi precedido por uma intensa tempestade geomagnética e no período do pico pré-inversão apresentou um VTEC mínimo de 17 TECU. Para este dia o valor de F1.7 foi de 22. O dia 1 de foi calmo não apresentando eventos que pudessem influenciar significativamente a intensificação do efeito fonte. No dia 14 de ocorreu uma tempestade moderada, no entanto apresentou um fluxo solar F1.7 de, algumas irregularidades também pode ser observadas nos horários próximos às : TU. Nos gráficos da Figura 5 podem ser observado que durante períodos de máxima atividade solar o pico ocorre em todas as estações do ano, sendo que no solstício de inverno o mesmo ocorre com amplitude bem mais baixa. No período de alta atividade (Figura 5) na estação do ano de menor ionização no Brasil (solstício de inverno) o valor médio de F1.7 analisado chega a 1. No equinócio e solstício de verão do período de máxima atividade solar o fluxo solar medido foi de aproximadamente 22. Quanto ao RTEC (Figura 5), verifica-se que aumentam na hora em que ocorrem as cintilações do sinal GPS devido às irregularidades do plasma, que é de cerca de 2:-: TU até :-4: TU, no equinócio e solstício de verão (normalmente não se observam cintilações no solstício de inverno), e maior incidência e maior intensidade durante solar máximo. Entretanto, é necessário realizar estudos a fim de verificar qual a causa do aumento da RTEC, que pode ser devido às bolhas ionosféricas, cintilações, entre outros.

II Simpósio Brasileiro de Geomática Presidente Prudente - SP, -27 de julho de 27 4 CONCLUSÕES De acordo com os experimentos realizados podem ser observadas as variações temporais, que compreendem as variações diurnas, sazonais e ciclos de longos períodos, e como estas variações influenciam diretamente na mudança da densidade de elétrons na ionosfera, que é proporcional à intensidade da radiação solar. Verifica-se também a intensificação da deriva vertical do plasma ionosférico nos horários próximos ao pôr-do-sol. À noite a deriva vertical do plasma ionosférico torna-se negativa, porém antes disto, nos horários próximos ao pôr-do-sol, a deriva se intensifica provocando também a intensificação do efeito fonte, resultando no aumento da densidade de elétrons em regiões de baixa latitude nos horários que antecedem a meia noite. Algumas assinaturas de irregularidades ionosféricas observadas nos experimentos serão estudadas e analisadas cuidadosamente, para verificar se estas foram causadas por cintilações, presença de bolhas ionosféricas, ou outras perturbações na densidade de elétrons. Os resultados mostram o comportamento típico da ionosfera em região de baixa latitude. Além disto, pode-se verificar a potencialidade do GPS como ferramenta no estudo da atividade da ionosfera. Os sinais trans-ionosféricos, transmitidos pelos satélites do GPS, contêm informações sobre a camada da ionosfera, o que constitui as redes ativas, tais como a RBMC, num importante banco de dados para pesquisadores na área de geofísica espacial, com destaque à física da ionosfera. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem a FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) pela Bolsa de Doutorado e à Fundação Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) pelos dados fornecidos, tornando possível da realização deste trabalho. REFERÊNCIAS AGUIAR, C. R.. Modelo Regional da Ionosfera (Mod_Ion): Implementação em Tempo Real. 25. f. Dissertação (Mestrado) Programa de Pós-Graduação em Ciências Cartográficas, Faculdade de Ciências e Tecnologia UNESP, Presidente Prudente. AGUIAR, C. R.; CAMARGO, P.O.; MATSUOKA, M.T.; DAL POZ, W.R.. Determinação do Erro Sistemático na Pseudodistância devida à Ionosfera: avaliação da performance do Mod_Ion e do modelo de Klobuchar. In: Série em Ciências Geodésicas. UFPR, Curitiba, Paraná, vol., pp. 11-. 2. CAMARGO, P. O.. Modelo Regional da Ionosfera para uso em Posicionamento com Receptores de uma Freqüência. 1. 11 p. Tese (Doutorado em Ciências Geodésicas) Setor de Ciências da Terra, Universidade Federal do Paraná, Curitiba. DAVIES, K.. Ionospheric Peregrinus Ltd., 1. 58p. Radio. London: Peter EL GIZAWY, M.L.. Development of an Ionosphere Monitoring Technique Using GPS Measurements for High Latitude GPS Users. 2. 17 p. M.Sc. dissertation Department of Geomatics Engineering, UCGE Report nº 71,The University of Calgary, Calgary, Alberta, Canada. WEBSTER, I.. A Regional Model for Prediction of Ionospheric Delay for Single Frequency Users of the Global Positioning System. 1. M.Sc. Thesis Department of Surveying Engineering, University of New Brunswick, New Brunswick, Canada.