Conceito Básico de Radiação Eletromagnética e Ondas
Em primeiro lugar, devemos definir o que são ondas eletromagnéticas e radiação eletromagnética, para chegarmos na particular a faixa de freqüências denominadas de Alta Freqüência.
As ondas eletromagnéticas são uma combinação de um campo elétrico e de um campo magnético que se propagam simultaneamente através do espaço transportando energia. A luz visível por exemplo, cobre apenas uma pequena parte do espectro de radiação eletromagnética possível. O conceito de ondas eletromagnéticas foi postulado por James Clerk Maxwell e confirmado experimentalmente por Heinrich Hertz.
E uma de suas principais aplicações é a transmissão de ondas de rádio, que transportam informação, tal como a voz humana, música, sinais de todos os tipos, como transmissão de fax, imagens, vídeo e tudo aquilo que as ondas de rádio podem transportar.
Por sua vez, o que denominamos de radiação eletromagnética é composta por ondas que se propagam pelo espaço, algumas das quais são percebidas pelo olho humano como luz. A radiação eletromagnética compõe-se de um campo elétrico e um magnético, que oscilam perpendicularmente um ao outro e à direção da propagação de energia. A radiação eletromagnética é classificada de acordo com a freqüência da onda, que em ordem crescente por freqüência da onda são: ondas de rádios, microondas, radiação terahertz (Raios T), radiação infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta, Raios-X e Radiação Gama.
Um importante aspecto da natureza das ondas é a freqüência. A freqüência de uma onda é sua taxa de oscilação e é medida em Hertz, a unidade SI (Sistema Internacional) de freqüência, onde um hertz é igual a uma oscilação por segundo. No caso da luz que é uma onda, normalmente tem um espectro de freqüências que somados juntos formam a onda resultante. Diferentes freqüências formam diferentes ângulos de refração.
Uma onda consiste nos sucessivos baixos e altos e a distância entre dois pontos altos ou baixos é chamado de comprimento de onda. Ondas eletromagnéticas variam de acordo com o tamanho, de ondas de tamanhos de prédios a ondas gama pequenas menores que um núcleo de um átomo. A freqüência é inversamente proporcional ao comprimento da onda, de acordo com a equação:
V = f λ
Onde v é a velocidade da onda, f é a freqüência e λ (lambda) é o comprimento da onda. Na passagem de um meio material para o outro, a velocidade da onda muda, mas a freqüência permanece constante
Ondas de Rádio – Alta Freqüência
A região das ondas de rádio estende-se desde alguns hertz até aproximadamente (10)9 Hz (comprimento de onda de muitos quilômetros até mais ou menos 30 cm).
Assim, temos a banda (ou faixa) de Ondas Médias (em inglês MW – Medium Waves), utilizadas para transmissão de emissoras de radiodifusão, o popular “AM” que se inicia em 530 kHz até 1700 kHz.
Já dentro da faixa de VHF (Very High Frequency) especificamente compreendida entre em 88 MHz até 108 MHz estão as emissoras de radiodifusão em FM (Freqüência Modulada). Também dentro da faixa de VHF estão outros sistemas de rádio, como os canais baixos da Televisão indo até a faixa de UHF (Ultra High Frequency) onde estão os canais altos da TV e outros sistemas de rádio.
A faixa de Alta Freqüência compreende o intervalo de 3000 kHz até 30000 kHz, e é conhecida também como Ondas Curtas é de nosso particular interesse.
É na faixa de ondas curtas é que ocorrem as transmissões de radiodifusão regional e internacional, e esta faixa de freqüências, sofre influencia direta do Sol e da hora do dia, em relação a seu alcance e qualidade do sinal.
E em termos gerais, as ondas de rádio sofrem influencia direta das radiações emitidas pelo Sol, que é a estrela principal de nosso sistema Solar, e fornece toda a gama conhecida de radiações eletromagnéticas, luz, Raios X, ultravioleta e etc.
E a interação do Sol com nosso planeta Terra é o responsável em última instancia pelo que podemos utilizar em termos de sinais de rádio, inclusive nos modernos sistemas de satélite de comunicações e até no sistema de posicionamento global GPS.
Ionosfera
A ionosfera é a parte superior da atmosfera, que se estende a partir de aproximadamente 50 km até 2000 km acima da superfície da Terra. A parte que temos interesse em particular para transmissão de sinais eletromagnéticos são os 500 km mais baixos. Na ionosfera, a radiação do Sol (primordialmente Raios-X, ultravioleta e partículas) bombardeia as moléculas de gás e causa a liberação de elétrons deste. Estes são chamados de “elétrons livres” e apresentam carga negativa. As moléculas que perdem elétrons se tornam carregados positivamente O nome dado para moléculas ou átomos carregados é “íons” e estes íons positivos é o que é posteriormente chamado de ionosfera. Os elétrons livres e íons fazem com que a radiação de alta freqüência que está se movendo para cima ser refletida de volta a Terra, um efeito chamado de refração. Esta flexão permite que os sinais viajem de volta até a superfície da terra em alcance de bem acima da linha do horizonte, conferindo a radiação de alta freqüência sua característica única de alcançar longas distâncias. Quando a radiação do Sol não está mais presente durante o período da noite, muitos dos elétrons se aglomeram novamente com os íons, mas alguns permanecem livres ao longo da noite. Um importante parâmetro para a propagação eletromagnética é a quantidade de elétrons livres que estão presentes; isto é denominado de “densidade de elétrons”. Quanto maior a densidade de elétrons, mais radiação de alta freqüência é flexionada à superfície da terra.
Camadas da Ionosfera
Existem três camadas importantes da ionosfera sumarizados na tabela abaixo:
Camada Elevação Aproximada Importância Quando presente
F 140 – 400 km Região principal de “reflexão” Sempre – mais forte durante o dia
E 90 – 140 km Região de “reflexão” de baixa freqüência Sempre – mas muito fraco durante a noite
D 50 – 90 km Principal região de absorção Apenas durante o dia
Camada F
A camada F é a mais significativa da ionosfera e cuja parte central apresenta a maior densidade de elétrons da atmosfera da Terra. Esta é a principal região aonde a radiação de alta freqüência vinda de baixo é refletida de volta. Nós usamos o termo “reflexão” na tabela porque a flexão se parece como uma reflexão. Tecnicamente, este processo de flexão é chamado de refração, mas nós podemos pensar nisso como uma reflexão a partir da camada F. Durante o dia a camada F se separa em duas camadas, chamadas de F1 e F2. A F2 é a mais forte e importante camada.
Camada E
A representação da parte central desta camada contém outro pico ou valor máximo de densidade de elétrons. Entretanto existem poucos elétrons da camada E1 comparada à camada F e, portanto geralmente não é tão importante na flexão de radiação de alta freqüência como é a camada F. Algumas baixas freqüências dentro da faixa de radiação de alta freqüência, particularmente durante o dia, serão “refletidas” por esta camada, a qual, por star mais baixo do que a camada F pode resultar em alcance menor. Esta camada é altamente variável em espaço e tempo. Algumas vezes distúrbios irão causar reflexões anômalas em partes da camada E. Quando isto ocorre se fala que uma camada “Esporádica E” está presente.
Camada D
Esta camada contém alguns elétrons livres e íons, mas também muitas mais moléculas normais (ou neutras significando que não estão carregadas) e átomos. Quando a radiação interage com um elétron faz com que este se mova. Se o elétron corre para uma molécula neutra ou átomo, ele é absorvido assim como é a energia da radiação. Entretanto o efeito primário desta camada é absorver a radiação. Isto é ruim para as transmissões porque quando a radiação é absorvida, o sinal é perdido. Quanto mais baixa a freqüência da transmissão mais elétrons são movidos e mais sujeitos a serem absorvidos. Assim, quanto menor a freqüência mais a camada D absorve a energia da transmissão.
Efeitos diurnos
“Diurno” se refere ao ciclo dia-noite que ocorre durante as 24 horas na Terra. O Sol apresenta um grande efeito nas características da ionosfera. Durante as horas do dia quando se recebe a luz do Sol, a densidade de elétrons nas camadas E e F é aproximadamente 100 vezes maior do que a noite. A camada D desaparece completamente durante a noite.
Ciclo Solar
Adicionalmente as mudanças da radiação solar devido a hora do dia, também existem mudanças na radiação solar devido ao Sol em si. O Sol sofre um ciclo solar de aproximadamente 11 anos de mudanças de radiação. O numero de manchas solares seguem o mesmo ciclo solar de 11 anos, entretanto o ciclo solar é algumas vezes referido como ciclo de manchas solares. Durante o período de máximo solar (mais manchas solares) a ionosfera apresenta maior densidade de elétrons que qualquer outro período.
Sumário dos efeitos do Ciclo Solar e Diurno nas camadas D, E e F
Ambos os efeitos diurnos e o ciclo solar afetam a quantidade de elétrons livres em todas as três camadas da ionosfera. A densidade de elétrons é máxima durante a tarde e durante períodos de máximo solar. As densidades de elétrons também são maiores durante o verão em comparação ao inverno e mais próximo a linha do equador quando comparado aos pólos devido a radiação solar ser mais direta nesta região.
Conclusão
Assim, conforme a faixa de freqüência dentro do intervalo de 3000 kHz a 30000 kHz, conforme o período do dia (ou noite), conforme a estação do ano, e conforme o comportamento do Sol durante o ciclo solar tem grande variação no alcance das ondas de rádio em ondas curtas.
Basicamente, a ionosfera funciona como um grande defletor que faz com que os sinais de rádio emitidos pelas antenas das emissoras viajem até a ionosfera, seja refletido de volta a Terra, e que por sua vez retorna a ionosfera, sendo refletido diversas vezes, alcançando grandes distâncias.
Por outro lado, durante o dia, por exemplo, a ionosfera absorve grande parte da energia das ondas de radio da faixa de ondas médias, e é por isso que estes sinais tem curto alcance durante o dia. Já a noite, quando a ionosfera não sofre os efeitos diretos da radiação do Sol, não há tanta absorção dos sinais de rádio em ondas médias, e assim, os sinais podem viajar por centenas e milhares de quilômetros.
Desta forma, conhecendo como se comporta o Sol, o ciclo solar e seus principais fenômenos e indicadores que hoje são mensurados por sofisticados equipamento desenvolvidos e mantidos por diversos países; conhecendo também como se comporta a Ionosfera e como esta interage com o Sol; conhecendo os aspectos básicos da sazonalidade da Terra, como podemos observar nas diferenças dos sinais de rádio recebidos no verão e no inverno, por exemplo; podemos ter uma visão ampla de como é complexo a natureza que nos cerca, que é quem em última instância, dá a permissão – ou não – para usarmos as ondas de rádio em nossa atual civilização.
Conheça um pouco mais sobre como as ondas de rádio se propagam acessando a página principal:
