ICM 007 A Instrumentação Científica e a Metrologia Aplicadas à Engenharia Civil 5 de Novembro de 007, LNEC, Lisboa DISPONIBILIDADE AO LONGO DO TEMPO DE UM SISTEMA ÓPTICO DE MEDIÇÃO DE DESLOCAMENTOS DA P5A C. Almeida Santos 1, C. Oliveira Costa, J. Batista 3 1 Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Portugal, csantos@lnec.pt Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa, Portugal, ocosta@lnec.pt 3 Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, Coimbra, Portugal, jbatista.@isr.uc.pt Resumo: O tema da presente comunicação versa sobre os fenómenos associados à propagação através da atmosfera de ondas electromagnéticas do espectro do visível e infravermelho próximo e seus efeitos no desempenho de um sistema de medição baseado em dispositivos ópticos. São abordados os fenómenos de absorção atmosférica, de dispersão, de cintilação e de turbulência, e a respectiva dependência com o comprimento de onda. Faz-se, também, referência ao conceito de visibilidade, associado às diferentes condições climatéricas, com destaque para o nevoeiro, e respectivas repercussões sobre o feixe óptico. Apresenta-se, ainda, a caracterização das condições atmosféricas da zona envolvente à ponte 5 de Abril, sobre o rio Tejo, em termos de número médio de dias de ocorrência de nevoeiro ao longo do ano. Palavras Chave: Sistema de visão, propagação de radiação através da atmosfera, nevoeiro, ponte 5 de Abril. 1. INTRODUÇÃO A observação de grandes obras, designadamente pontes, é uma actividade intrinsecamente multidisciplinar que envolve a colaboração de várias áreas do conhecimento, uma das quais é, naturalmente, a que se refere à instrumentação. A observação de uma grande obra requer a medição de um vasto número de grandezas. No caso particular de uma ponte, os deslocamentos verticais e transversais do respectivo tabuleiro são grandezas consideradas fundamentais. No âmbito de um projecto que visa dotar a ponte 5 de Abril, sobre o rio Tejo, de instrumentos de medição para a monitorização, em tempo real, do seu estado estrutural de segurança, surgiu a necessidade de desenvolver um sistema de medição dos deslocamentos verticais e transversais, por meio de visão (sem contacto directo), com recurso a dispositivos ópticos e técnicas de processamento de imagem. O princípio de funcionamento do sistema de medição baseia-se no seguimento de um ou mais alvos por intermédio de uma ou mais câmaras de vídeo (figura 1). Os alvos são fixos à estrutura a monitorizar e as câmaras de vídeo são fixas em pontos considerados imóveis, relativamente à estrutura (base dos pilares, identificados por P3 e P4). A concretização deste sistema de medição requer o esta- belecimento de uma linha de vista entre o alvo (fonte emissora de luz) e a câmara de vídeo (receptor). Neste contexto, a fiabilidade e a disponibilidade do sistema de medição estão dependentes dos fenómenos associados à propagação através da atmosfera de ondas electromagnéticas, em particular, do espectro do visível e infravermelho próximo. Isto é, dependem das condições climatéricas existentes no momento e no local. Assim, em condições adversas, tais como as que levam à formação de neblina ou nevoeiro, o sistema de medição pode ficar inoperacional. Deste modo, de forma a maximizar a disponibilidade e a eficiência do sistema de medição torna-se indispensável conhecer os fenómenos físicos que podem estar envolvidos na perturbação do feixe de radiação, assim como quantificar, tanto quanto possível, o seu efeito. A posse deste conhecimento permite actuar, com vista a minimizar essas perturbações, através da selecção de componentes e de sistemas electrónicos e/ou de técnicas de execução mais adequadas. Foi efectuada uma pesquisa bibliográfica sobre o tema em análise, tendo-se constatado que estas matérias têm sido objecto de estudo e debate pelas equipas que desenvolvem sistemas na área das comunicações sem fios por meio de dispositivos ópticos (FSO Free Space Optics) [1].. ATENUAÇÃO PROVOCADA PELA ATMOSFERA Durante o trajecto de um feixe luminoso este é sujeito a um conjunto de fenómenos e interacções que podem modificar as suas características, nomeadamente, a perda substancial de potência luminosa e o desvio do feixe óptico ao longo do percurso, com a consequente afectação da disponibilidade e da fiabilidade dos resultados produzidos pelo sistema de medição. Tal facto deve-se, fundamentalmente, às condições climatéricas do local, à composição química da atmosfera e às partículas suspensas de maiores dimensões (aerossóis), dos quais fazem parte as poeiras, os núcleos de condensação e as gotículas de água agrupadas sob a forma de neblina, névoa ou nevoeiro. As partículas do grupo dos aerossóis encontram-se suspensas na atmosfera e a sua dimensão situa-se, geralmente, entre 0,1 µm e 100 µm. Nas nuvens altas e em situação de chuva é ainda possível encontrar gotas de chuva com dimensões da ordem de 1 mm e gotas de aguaceiro e granizo com dimensões entre 10 mm e
Figura 1 Princípio de funcionamento do sistema de medição de deslocamentos verticais e transversais, aplicado à ponte 5 de Abril, no rio Tejo. 100 mm (Tabela 1). Nos ambientes marítimos os aerossóis são, maioritariamente, constituídos por gotículas de água, cristais de sal e partículas de origem continental. O tipo, a densidade e as características das partículas continentais dependem da distância à costa. Tabela 1. Dimensão típica das partículas existentes na atmosfera []. Tipo Dimensão (µm) Moléculas de ar 0,0001 Poeiras 0,1 Núcleos de condensação 0,1-1 Neblina 0,01-1 Gotículas de nevoeiro 1-0 Chuva 100 10000 1000 5000 Granizo 5000-50000 Da diversidade de fenómenos que intervêm na atenuação de um feixe óptico são cinco, aqueles cujo efeito é mais significativo. São eles: i) absorção atmosférica; ii) dispersão de Rayleigh; iii) dispersão de Mie; iv) dispersão Geométrica; e v) turbulência/cintilação..1. Absorção Atmosférica O fenómeno da absorção molecular, também chamado de absorção verdadeira ou de absorção selectiva, resulta da interacção dos fotões do feixe óptico com as moléculas de ar e com as partículas sólidas e líquidas suspensas na atmosfera. As colisões que se dão conduzem ao desaparecimento dos fotões incidentes e ao aumento da temperatura do gás. O grau de absorção depende do tipo de partículas e da sua concentração. A absorção atmosférica é um processo selectivo na medida em que no espectro de transmissão da atmosfera é possível encontrar zonas transparentes, chamadas janelas de transmissão atmosférica, e zonas opacas, chamadas de janelas de bloqueamento atmosférico (figuras e 3). Nos dois gráficos são identificáveis as diversas janelas onde a absorção é mais intensa. Das diversas janelas de bloqueamento destacam-se as centradas em 950 nm, 1150 nm, 1400 nm e 1800 nm, em que o vapor de água é o gás absorvente preponderante; por este facto, estas janelas também são conhecidas por janelas de água. Tenha-se presente que o vapor de água faz parte integrante da atmosfera, mesmo em situações de bom tempo e de grande visibilidade. De referir ainda que a absorção é proporcional à densidade do ar sendo, por este motivo, mais intensa ao nível do mar. Figura Densidade energética da radiação solar no topo da atmosfera e após sofrer absorção atmosférica e dispersão de Rayleigh. Figura 3 Atenuação atmosférica (db/km) calculada em condições de céu limpo e para uma distância de visibilidade superior a 16 km. Não sendo possível modificar a constituição da atmosfera é, contudo, possível tirar partido das janelas de transmissão, seleccionando os comprimentos de onda menos susceptível à absorção, como é o caso das janelas centradas nas proximidades de 690 nm, 780 nm, 850 nm e 1550 nm [3]. Existem outras janelas de transmissão alternativas, entre 3 e 5 µm e entre 8 e 14 µm; no entanto, o seu uso comercial está limitado pela disponibilidade de dispositivos e componentes e por dificuldades de implementação prática [4]. A absorção atmosférica, tipicamente, é dominada pelo nevoeiro. No entanto, a presença de nuvens de baixa altitude, chuva, neve e poeiras, ou uma combinação de todas, também pode contribuir de forma severa para este efeito. Ainda assim, fazendo uso de uma janela transparente e para percursos de curta distância ( km), o efeito da absorção do
feixe luminoso pode, na maior parte dos casos, ser desprezado face a outros efeitos [] (ver adiante)... Dispersão O fenómeno da dispersão resulta de diversos factores, nomeadamente, da dimensão e da concentração das partículas, do caminho percorrido e da sua extensão, da variação do índice de refracção entre a partícula e o meio circundante e do comprimento de onda do feixe incidente. Este efeito promove a redistribuição da energia incidente, com a consequente diminuição da densidade de potência ao longo da direcção inicial de incidência, mantendo inalterável o comprimento de onda. Do ponto de vista do receptor, e tendo presente que a área colectora da radiação é finita, este efeito traduz-se numa atenuação do feixe luminoso. A relação entre a dimensão das partículas e o comprimento de onda do feixe luminoso determina o tipo de dispersão, podendo ser do tipo: i) Rayleigh; ii) Mie; ou iii) Geométrica. Esta dependência é descrita pelo parâmetro α, equação (1), denominado de relação de tamanho, em que r representa o raio da partícula e o comprimento de onda. π r α = (1) Na figura 3 encontra-se representado o valor de α para diversos tipos de partículas presentes na atmosfera e para dois comprimentos de onda (785 nm e 1550 nm). de Mie, a dispersão de Rayleigh só se torna verdadeiramente significativa para longas distâncias (efeito cumulativo). 1 σ R () 4 A dispersão de Mie ocorre quando a dimensão das partículas é da ordem de grandeza do comprimento de onda, mais concretamente, quando o valor de α varia entre 0,1 e 50 []. Neste caso, as partículas de maior dimensão geram maior dispersão no sentido da luz incidente em detrimento do sentido oposto. A intensidade da dispersão depende da distribuição das partículas, da sua dimensão e da sua densidade. Nos comprimentos de onda do espectro do visível e do infravermelho próximo este fenómeno surge em condições de neblina e de nevoeiro, formado por pequenas partículas. O coeficiente de atenuação (σ M ) é dado pela equação (3), em que V representa a visibilidade, em km, o comprimento de onda, em nm, e q uma constante que pode tomar valores entre 0 e 1,6. A equação (3) mostra que a atenuação devida à dispersão de Mie varia inversamente com o comprimento de onda. σ M = q 3,91 550nm (3) V Figura 3 Valor do parâmetro α em função da dimensão das partículas presentes na atmosfera, para dois comprimentos de onda []. A dispersão de Rayleigh ocorre quando a dimensão das partículas é muito inferior ao comprimento de onda, isto é, quando α é muito inferior a 1. Para comprimentos de onda do espectro do visível e do infravermelho próximo este tipo de dispersão deve-se, fundamentalmente, às moléculas gasosas presentes na atmosfera. A radiação é re-radiada em todas as direcções, sob a forma de onda dispersa, predominantemente, nos sentidos da luz incidente e oposto (figura 4). O coeficiente de atenuação por dispersão de Rayleigh (σ R ) varia de acordo com a expressão () a qual mostra que os comprimentos de onda menores sofrem maior dispersão de Rayleigh que os maiores [4]. Dito de outra forma: à medida que o comprimento de onda aumenta o contributo da dispersão de Rayleigh para a atenuação diminui, chegando a ser desprezável. Para além disso, ao contrário da dispersão Figura 4 Representação esquemática dos três tipos de dispersão. A dispersão Geométrica ocorre quando a dimensão das partículas é muito maior que o comprimento de onda, isto é, quando α é superior a 50 []. As partículas que provocam este tipo de dispersão são suficientemente grandes de forma que a distribuição angular da radiação pode ser descrita pela óptica geométrica. Fazem parte deste grupo de partículas as gotas de chuva, a neve, o granizo e o nevoeiro intenso. Este tipo de dispersão também é chamado de não selectivo, em virtude do coeficiente de atenuação não depender do comprimento de onda []..3. Turbulência / Cintilação À medida que a superfície terrestre aquece, por acção da radiação recebida do sol, a camada de ar envolvente também aquece. Como o aquecimento não é uniforme geram-se bolsas de ar a diferentes temperaturas e com dimensão variável desde 10 cm até 1 km. Este efeito provoca a alteração do coeficiente de refracção do ar e, por conseguinte, a trajectória do feixe luminoso à medida que este atravessa a camada de ar. Atendendo a que as bolsas de ar criadas não se mantêm estáticas, nem no tempo nem no espaço, a variação do coeficiente de refracção induz um movimento aleatório, com comportamento turbulento. Dada a sua natureza, este efeito é mais frequente em ambientes quentes e secos [4] (cf. figura 5). Uma forma de quantificar o efeito de turbulência é através do coeficiente estrutural do índice de refracção, denomi-
nado por C n, o qual representa a intensidade de turbulência, em função da radiação solar, da humidade e do albedo terrestre [4]. Como o aquecimento da camada de ar não é instantâneo, surgem períodos de maior e menor intensidade que são, tipicamente, a meio da tarde e uma hora após o nascer e o pôr-do-sol, respectivamente. Além disso, o valor de C é mais elevado em pontos situados próximos da n superfície terrestre, decrescendo com o aumento da altitude. Figura 5 Diagrama representativo dos efeitos de turbulência atmosférica e de cintilação sobre o sinal óptico transmitido 1. Na presença de bolsas de ar de turbulência, com dimensões muito superiores ao diâmetro do feixe luminoso, a variância radial do feixe luminoso ( σ ) é dada pela equação (4), em que representa o comprimento de onda, em m, e L a distância, em m [4]. Da sua observação constata-se que os comprimentos de onda maiores são sujeitos a menores desvios aleatórios, embora esta dependência seja fraca. σ L r 17 1,83 C 6 r = n (4) Por seu lado, o efeito de cintilação é causado por pequenas flutuações do índice de refracção da atmosfera, acontecendo, normalmente, em dias de grande visibilidade. Desta forma, dois fotões que atravessem bolsas de ar com índices de refracção diferentes são sujeitos a desvios ligeiramente diferentes, dando origem a uma diferença de fase na frente de onda, a qual gera interferência construtiva/destrutiva no seio do feixe óptico, à medida que este se propaga. Esta interferência gera flutuações da intensidade óptica com frequência variável entre 0,01 Hz e 00 Hz, chegando ao receptor sob a forma de cristas luminosas e escuras. Um feixe luminoso com comprimento de onda de 850 nm a 1 km de distância da fonte poderá apresentar cristas com diâmetro de 3 cm [4]. Para uma onda plana, sujeita a pequenas flutuações, o efeito de cintilação pode ser caracterizado pela variância γ ( σ ), dada pela equação (5), em que representa o comprimento de onda (em m) e L a distância (em m). σ γ = L C n (5) 11 6 7 3,17 ( π ) 7 1 A amplitude e a frequência de cintilação dependem da dimensão das bolsas de ar e do diâmetro do feixe óptico; bolsas com grande dimensão provocam o desvio do feixe enquanto que bolsas de menor dimensão provocam o seu espalhamento. A equação (6) permite-nos concluir que os comprimentos de onda maiores apresentam menor variância [4]. Já no caso de grandes flutuações, a variância é dada pela equação (6) [4], de onde se constata que os comprimentos de onda menores apresentam menor variância. 1 σ 5 _ = 1,0 + 0,86 (6) γ high σ γ Para além disso sabe-se que o efeito de espalhamento depende muito pouco do comprimento de onda sendo, contudo, menor nos comprimentos de onda maiores. Tipicamente, um feixe luminoso com um diâmetro entre 5 e 8 cm à saída da fonte poderá apresentar um diâmetro entre 1 e 5 m a 1 km de distância. Para pequenas distâncias, da ordem dos 100 a 00 m, a atenuação provocada pelo efeito de cintilação é de apenas alguns db. Estudos experimentais têm demonstrado que, dependendo das condições atmosféricas, o desvanecimento do feixe luminoso induzido pelo efeito de cintilação atinge um valor máximo a partir do qual não aumenta com a distância. Apesar disso, no caso dos sistemas de visão, a estabilidade da direcção do feixe óptico é tão ou mais importante que a atenuação, uma vez que a posição do ponto de partida do feixe óptico é extraída da direcção deste. Refira-se que quando as condições atmosféricas são propícias à formação de nevoeiro, geralmente estas são contrárias ao aparecimento de cintilação/turbulência, traduzindo-se num efeito não cumulativo, em termos de atenuação. 3. CONCEITO DE VISIBILIDADE O conceito de visibilidade surge, na meteorologia, como forma de caracterizar a transparência da atmosfera. Embora inicialmente fosse estimada por um observador humano, actualmente a sua medição é efectuada através do recurso a dispositivos electrónicos. No entanto, e apesar de um sistema de visão conseguir chegar mais longe do que a visão humana, a medição da visibilidade a olho nu continua a ser um bom indicador das condições de operação do sistema de visão. Em termos qualitativos, a visibilidade é a distância à qual ainda é possível distinguir um objecto escuro no horizonte, estando directamente relacionada com o contraste de uma imagem (em condições de sol brilhante o valor do contraste pode ser muito baixo). A distância de visibilidade varia com as condições atmosféricas ao nível do microclima e, por conseguinte, em função do lugar, da estação do ano e da hora do dia. O seu valor é medido no comprimento de onda de 550 nm, correspondente ao comprimento de onda de máxima intensidade do espectro solar, através da aplicação da lei de Koschmieder [3] (equação (7)): 3,91 V ( km) = (7) γ 550 nm A atenuação do sinal óptico transmitido através da atmosfera está associada ao conceito de visibilidade em que menor visibilidade significa maior atenuação e, por conseguinte, maior potência a transmitir para o mesmo alcance
(Tabela ). Deste modo, a visibilidade constitui um parâmetro fundamental na avaliação da disponibilidade do sistema. De referir ainda que a visibilidade tende a diminuir em altitude, em virtude da ascensão do nevoeiro para passagem a nuvens de baixa altitude. Tabela Valores típicos de atenuação para diferentes condições atmosféricas e respectivas distâncias de visibilidade [4]. Condição atmosférica cerrado intenso moderado fraco muito fraco Neblina Neblina fraca Claro Tipo de Precipitação Aglomerado de nuvens Chuva intensa Chuva média Chuva fraca Chuviscos Precipitação Visibilidade (km) (mm/hr.) 100 5 1,5,5 0,5 0,00 0,05 0,05 0,0 0,0 0,50 0,77 1,00 1,90,00,80 4,00 5,9 10,0 18,1 0,0 Muito claro 3 50 Atenuação (db/km) 71,65 59,57 0,99 1,65 9,6 4, 3,96,58 1,6 0,96 0,44 0,4 0, 0,19 0,06 4. ATENUAÇÃO PROVOCADA PELO NEVOEIRO O nevoeiro é o principal elemento responsável pela atenuação de um feixe luminoso com comprimento de onda situado no espectro do visível e infravermelho próximo. Tal deve-se ao facto do nevoeiro ser constituído por gotículas de água com dimensão da ordem de grandeza do comprimento de onda em causa [4]. A atenuação provocada pela atmosfera é muito variável e difícil de prever, podendo variar desde 0, db/km, em condições excepcionais de claridade, até 350 db/km, em condições de nevoeiro cerrado. A caracterização do nevoeiro é uma tarefa difícil, uma vez que este fenómeno não segue um padrão, variando com a localização, a altitude, a época do ano e a hora do dia, entre muitos outros factores. Além disso, as suas características variam durante a fase de formação, de maturação e de dissipação [3]. Dadas as razões apresentadas, o conhecimento pleno deste fenómeno está longe de ser dominado. O nevoeiro é constituído por gotículas de água, suspensas no ar, com diâmetro inferior a 100 µm, produzindo uma redução da visibilidade. Existem vários tipos de nevoeiro, consoante o processo de formação, sendo mais frequentes na natureza dois tipos de nevoeiro: i) de radiação, o qual deve a sua formação ao arrefecimento terrestre por radiação, aparecendo quando o ar é suficientemente arrefecido e se torna saturado. Aparece, normalmente, durante a noite e no fim do dia, com a dimensão das partículas a variar muito pouco, em torno de 4 µm, e o conteúdo de água líquida a variar entre 0,01 e 0,1 g/m 3 ; e, ii) de advecção, formando-se quando massas de ar quentes e húmidas se movimentam sobre superfícies, marítimas ou continentais, mais frias. A dimensão das partículas possui um diâmetro da ordem dos 0 µm e um conteúdo de água líquida superior a 0, g/m 3. Embora a caracterização do tipo de nevoeiro se possa fazer através da distribuição do tamanho das partículas, da sua densidade e do conteúdo de água líquida [4], é usual recorrer-se ao parâmetro da distância de visibilidade (por ser este o parâmetro registado nos aeroportos ao longo das últimas décadas) para quantificar o efeito combinado do nevoeiro e aerossóis sobre a radiação com comprimento de onda até,5 µm. Assim, tecnicamente, é considerada a existência de nevoeiro quando a visibilidade é inferior a 1 km e a humidade relativa do ar atinge o limiar da saturação (humidade relativa próxima de 100%) [3] ou, em alternativa, quando a visibilidade é inferior a km [4]. Assim, surgiu, de um modo semi-empírico, uma equação, denominada equação de Kruse, a qual expressa a atenuação (σ, em db/km) em função da visibilidade (V, em km) e do comprimento de onda (, em nm) [3]. σ = 1,6 q = 1,3 0,585 V q 3,91 550nm (8) 1/ 3 V se V > 50 km se 6 km < V < 50 km se V < 6 km O parâmetro q, determinado por via experimental, depende da distribuição de dimensão de partículas e assume valores distintos consoante a distância de visibilidade. Tabela 3 Atenuação atmosférica em função da visibilidade []. Visibilidade (km) db/km @ 785 nm db/km @ 1550 nm 0,05 340 340 0, 85 85 0,5 34 34 1 14 10 7 4 4 3 10 1 0,4 3 0,5 0, Condição atmosférica Neblina Céu limpo A equação (8) mostra que, para as mesmas condições de visibilidade, a atenuação diminui com o aumento do comprimento de onda (Tabela 3). No entanto, presentemente ainda não existe um consenso generalizado quanto à definição final do parâmetro q, nomeadamente para distâncias de visibilidade inferiores a 6 km e em particular inferiores a 1 km [, 3]. Os dados experimentais usados na validação da equação de Kruse não foram recolhidos em condições de nevoeiro intenso (normalmente com visibilidade inferior a 1 km), os quais contradizem a equação (8) [, 3]. Assim, foi proposta uma definição alternativa para o parâmetro q, subdividindo o último sector em três []: 1,6 1,3 q = 0,16 V + 0,34 V 0,5 0 se V > 50 km se 6 km < V < 50 km se 1 km < V < 6 km se 0,5 km < V < 1 km se V < 0,5 km
A nova definição para o parâmetro q sugere que no caso de nevoeiro muito intenso, isto é, quando a distância de visibilidade é inferior a 500 m, o coeficiente de atenuação não depende do comprimento de onda (desde que este pertença a uma das janelas de transmissão). No entanto, existem referências que sugerem que, apesar da dependência da atenuação com o comprimento de onda ser fraca ela existe [3]. A figura 6 e os dados da Tabela 4 denotam um ligeiro aumento da atenuação com o aumento do comprimento de onda. Além disso, verifica-se que, de uma forma genérica, a diminuição da distância de visibilidade se traduz num aumento do valor da atenuação, que é independente do comprimento de onda. Os valores mínimos de atenuação verificam-se para os comprimentos de onda de 10,6 µm (advecção) e de 11,5 µm (radiação). Tabela 4 Coeficientes de atenuação (db/km), para vários comprimentos de onda, em função do tipo de nevoeiro [3]. Tipo de nevoeiro 690 nm 780 nm 850 nm 1550 nm Advecção denso 30,15 30,4 30,3 30,94 Radiação moderado 8,74 8,8 8,90 9,78 5. ATENUAÇÃO PROVOCADA PELA CHUVA O impacto negativo da precipitação de chuva sobre um feixe luminoso, embora não desprezável, é significativamente inferior ao provocado pelo nevoeiro. A explicação reside no facto da dimensão das gotas de chuva ser muito superior aos comprimentos de onda em análise e, por conseguinte, a atenuação ser independente da dimensão das gotas de chuva. Além disso, a atenuação é proporcional ao conteúdo de água, em g/m 3, e, consequentemente, directamente proporcional à intensidade de precipitação. Tipicamente, a atenuação pode chegar a 6 db/km para uma chuvada com intensidade de precipitação de 5 mm/hora [4]. A atenuação provocada pela precipitação da chuva, de uma forma genérica, é dada pela equação (9), em que R representa a taxa de precipitação, em mm/hora, e a e b são coeficientes que dependem da temperatura e do comprimento de onda. b σ rain = a R (9) Da observação da figura 8 é possível verificar que, genericamente, na zona do visível e do infravermelho próximo a atenuação provocada pela chuva é constante e só depende da intensidade de precipitação. Figura 6 Coeficiente de atenuação em função do comprimento de onda e da distância de visibilidade (V), para os nevoeiros do tipo advecção (esquerda) e do tipo radiação (direita) [3]. A figura 7 apresenta um gráfico relativo à atenuação total, em função do comprimento de onda, obtido para uma distribuição particular de nevoeiro, a 100 m do solo [1]. Figura 7 Atenuação para um nevoeiro típico de Primavera na costa ocidental dos Estados Unidos da América. Figura 8 Atenuação provocada pela atmosfera, pelo nevoeiro e pela chuva. Note-se o efeito de ressonância existente na faixa entre 1 µm e 30 µm, provocado pelas partículas de nevoeiro, e o pico de atenuação devido à chuva, existente no comprimento de onda entre 1 mm e 3 mm. 6. CONDIÇÕES ATMOSFÉRICAS DE VISIBILIDA- DE EM LISBOA/PONTE 5 DE ABRIL Como já foi referido (secção 3), as condições climatéricas apresentam grande variabilidade, quer em termos espaciais quer em termos temporais. Daí que para se proceder à caracterização de um local, com um grau aceitável de representabilidade, seja conveniente dispor de um conjunto de observações realizadas nas proximidades desse local e referentes a um intervalo de tempo mais ou menos alargado. Infelizmente, a informação disponível, raramente, diz respeito ao local em estudo. A alternativa consiste em usar a informação respeitante ao local mais próximo e/ou com características climáticas similares. No caso concreto da zona envolvente à ponte 5 de Abril, situada nas proximidades da foz do rio Tejo, desconhece-se a existência
de registos relacionados com a visibilidade. Assim, e na falta de dados mais representativos da zona em estudo, a sua caracterização foi efectuada tendo por base um conjunto de dados cedidos pelo Instituto Nacional de Meteorologia e Geofísica (INMG), registados por quatro estações meteorológicas localizadas na zona de Lisboa, duas das quais em aeroportos (Tabela 5). Tabela 5 Identificação das estações meteorológicas (zona de Lisboa). Estação Latitude Longitude Altitude (Norte) (Oeste) (m) Alverca/Base Aérea 38º 53 9º 0 3 Lisboa/Jardim Botânico 38º 43 9º 09 77 Lisboa/Portela 38º 47 9º 08 103 Lisboa/Tapada da Ajuda 38º 4 9º 11 60 Relativamente à localização das estações meteorológicas, importa referir que: i) a estação Alverca/Base Aérea se encontra localizada na base aérea de Alverca e é a estação mais distante da zona de estudo ( 0 km). No entanto, a zona de localização, junto ao rio Tejo, possui características que indiciam semelhanças com as existentes nas proximidades do local de estudo; ii) a estação Jardim Botânico está localizada nas proximidades do centro urbano, em que a presença de edifícios altos, juntamente com a poluição atmosférica, podem influenciar, de forma activa, as características climatéricas do local; iii) a estação Portela encontrase distante da zona de estudo e a uma altitude apreciável, para além de estar próxima do centro urbano; e iv) a estação Tapada da Ajuda, localizada nas instalações do Instituto Superior de Agronomia, é a estação que se encontra mais próxima da zona de estudo. No entanto, esta estação está localizada numa encosta, em zona arborizada. Da observação das figuras 9 a 1 podem extrair-se as seguintes conclusões: i) ocorre nevoeiro durante todo o ano, embora seja mais frequente entre Outubro e Março, com destaque para os meses de Janeiro e Dezembro; ii) considerando os dados menos optimistas, poder-se-á dizer que a ocorrência de nevoeiro acontece, em média, entre 0 a 30 dias por ano, correspodente a uma taxa entre 5,6% e 8,4% do tempo total anual; iii) o período do dia entre as 03h00 e as 1h00 é o mais propício à formação de nevoeiro e, dentro deste, entre as 06h00 e as 09h00; iv) de Outubro para Março verifica-se uma tendência crescente da presença de nevoeiro. Neste período verifica-se, igualmente, uma tendência crescente do número de ocorrências entre as 03h00 e as 09h00, seguida de decréscimo para as 1h00 (valor máximo alcançado às 09h00). Durante os meses de Abril a Setembro o valor máximo é alcançado às 06h00; v) no intervalo compreendido entre as 6h00 e as 9h00, nos meses de Fevereiro e Março registaram-se mais ocorrências que nos meses de Janeiro e Dezembro. No entanto, o somatório das ocorrências ao longo do dia é mais elevado nestes dois últimos meses, querendo isto dizer que nos meses de Fevereiro e Março a presença de nevoeiro é menos persistente no tempo, concentrando-se mais durante o período da madrugada e manhã. Nos meses de Janeiro e Dezembro a presença de nevoeiro é mais duradoura, prolongando-se desde as 00h00 até às 1h00; vi) a presença de nevoeiro das classes moderado, intenso ou cerrado (visibilidade inferior a 0,5 km) é mais frequente que a de nevoeiro fraco (visibilidade inferior a 1 km) (cf. Tabela ), querendo isto dizer que o nevoeiro quando aparece, geralmente, é de grande intensidade. Foram contactadas várias entidades (ex. pilotos da Barra de Lisboa), as quais informaram não possuir registos de visibilidade. Figura 9 Número médio de dias, por mês, em que foi registada a ocorrência de nevoeiro, em função do local/época. Figura 10 Número médio de dias, por ano, em que foi detectada a presença de nevoeiro, em função do local/época.
Nº de dias 1.6 1.4 1. 1.0 0.8 0.6 0.4 0. 0.0 JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ 00h00 03h00 06h00 09h00 1h00 15h00 18h00 1h00 Figura 11 Número médio de ocorrências de visibilidade inferior a 1 km e a altura da base das nuvens inferior a 10 m, registados entre 1951 e 1960 pela estação meteorológica Lisboa/Portela, em função da hora de observação (períodos de três horas) e do mês. 5.0 Nº de dias 4.0 3.0.0 1.0 0.0 0,5 km < Visibilidade <= 1 km Visibilidade <= 0,5 km JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ Figura 1 Número médio de ocorrências de visibilidade inferior a 0,5 km e a 1 km e a altura da base das nuvens inferior a 10 m, registados, entre 1951 e 1960, pela estação Lisboa/Portela. 7. CONCLUSÕES Nesta comunicação foram descritos os diversos fenómenos físicos que, de alguma forma, condicionam, pela sua natureza, a disponibilidade e/ou a fiabilidade de um sistema de medição de deslocamentos utilizando dispositivos ópticos, a instalar na ponte 5 de Abril, sobre o rio Tejo. O trabalho desenvolvido permitiu adquirir um conjunto de informações que foram, posteriormente, usadas na selecção do comprimento de onda que sofre menor atenuação aquando da sua propagação através da atmosfera e que é compatível com os sistemas de visão actuais. Para além disso, foi possível quantificar (majorando) a taxa de indisponibilidade de um sistema de medição, do tipo mencionado, a instalar na zona de interesse. Os comprimentos de onda superiores a 1 µm foram excluídos da selecção uma vez que as câmaras de vídeo, com características adequadas para a aplicação, não são sensíveis nesta zona do espectro. Assim, de entre os comprimentos de onda que se enquadram nas janelas de transmissão e que são usualmente empregues nos sistemas FSO, os mais adequados à aplicação em vista são 690 nm e/ou 850 nm. A hesitação na escolha reside no facto de ambas as opções apresentarem vantagens e desvantagens. Os 690 nm têm a vantagem de: i) a câmara de vídeo apresentar maior sensibilidade neste comprimento de onda; ii) a atenuação, em particular na presença de nevoeiro, ser ligeiramente menor que nos 850 nm. Por outro lado, os 850 nm têm a vantagem de: i) a radiação ser menos afectada pelos efeitos de dispersão de Rayleigh e de Mie, de turbulência e, na presença de pequenas flutuações, de cintilação; ii) a radiação emitida pela fonte de luz não estar exposta à interferência da luz ambiente. A resposta a estas questões só poderá vir a ser esclarecidas através da realização de testes de campo. Em termos de ocorrência de nevoeiro, na zona envolvente à ponte 5 de Abril, os dados disponíveis indicam que, em média, são registados entre 0 a 30 dias por ano, verificando-se a maior percentagem de ocorrências entre os meses de Outubro e Março e entre as 03h00 e as 1h00. O valor máximo (10%) ocorre, apenas, no período compreendido entre as 06h00 e as 09h00 dos meses de Dezembro e Janeiro. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao Instituto Nacional de Meteorologia e Geofísica (INMG), e em particular, ao Dr. José Barradas, pela cedência dos dados de observações, registados pelas estações meteorológicas instaladas na zona de Lisboa. REFERÊNCIAS [1] Santos, C., Costa, C., Propagação Através da Atmosfera de Ondas Electromagnéticas do Espectro do Visível e Infravermelho Próximo, Relatório nº 316/006, CIC/NSE, LNEC, Outubro de 006. [] Kim, I., McArthur, B., Korevaar, E., Comparison of Laser Beam Propagation at 785 nm and 1550 nm in Fog and Haze for Optical Wireless Communications, Optical Access Incorporated. [3] Al Naboulsi, M., Sizun, H., Fornel, F., Fog Attenuation Prediction for Optical and Infrared Waves, Optical Engineering, Vol. 43, Nº, February, 004. [4] Ghuman, B., Willebrand, H., Making Free-Space Optics Work (from the Book Free Space Optics: Enabling Optical Connectivity in Today s Networks ), Pearson Education, Sams Publishing, 006, http:// www.informit.com/articles/article.asp?p=6141&rl=1.