{"id":20,"date":"2009-03-15T00:26:09","date_gmt":"2009-03-15T03:26:09","guid":{"rendered":"http:\/\/blog.sarmento.eng.br\/2009\/03\/15\/entendendo-a-propagacao-ionosferica-parte-i\/"},"modified":"2009-09-26T10:27:18","modified_gmt":"2009-09-26T13:27:18","slug":"entendendo-a-propagacao-ionosferica-parte-i","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/radio.sarmento.eng.br\/?p=20","title":{"rendered":"Entendendo a Propaga\u00e7\u00e3o Ionosf\u00e9rica – Parte I"},"content":{"rendered":"

Por Renato Dutra Pereira Filho<\/strong><\/p>\n

Bibliografia
\nThe NEW Shortwave Propagation Handbook
\nBy Geoger Jacobs, Theodore J. Cohen e Robert B. Rose<\/p>\n

A partir dessa edi\u00e7\u00e3o do @-tividade DX e nas pr\u00f3ximas edi\u00e7\u00f5es de domingo teremos artigos especiais sobre a propaga\u00e7\u00e3o. Como esse material \u00e9 destinado a todos os colegas, independente do seu n\u00edvel de aprofundamento no assunto, e como o objetivo \u00e9 tentar aprender e desmistificar como a propaga\u00e7\u00e3o funciona, come\u00e7aremos do b\u00e1sico. Afinal, grandes pr\u00e9dios necessitam de profundas e s\u00f3lidas funda\u00e7\u00f5es. Nesta edi\u00e7\u00e3o falaremos a respeito da: – rela\u00e7\u00e3o entre comprimento de onda, freq\u00fc\u00eancia e velocidade; – ionosfera, hist\u00f3rico, composi\u00e7\u00e3o, caracter\u00edsticas, forma\u00e7\u00e3o, camadas, etc; – camadas D, E, F1 e F2;<\/p>\n

As altas freq\u00fc\u00eancias (HF, high frequencies), correspondem \u00e0 por\u00e7\u00e3o do espectro entre 3 e 30 MHz (cada Hz equivale a 1 ciclo\/s), ou seja, de 3000 kHz a 30000 kHz. Somente para lembrar, \u00e9 muito intuitiva a transforma\u00e7\u00e3o de freq\u00fc\u00eancia em comprimento de onda e vice-versa, desde que tenhamos em mente o fen\u00f4meno em si, ou que prestamos aten\u00e7\u00e3o nas unidades. Comprimento de onda (L) \u00e9 medido em metros no S.I. (Sistema Internacional de Unidades), enquanto que a freq\u00fc\u00eancia (f) \u00e9 medida em Hz. Como a rela\u00e7\u00e3o entre estas grandezas est\u00e1 vinculada a velocidade (v) de propaga\u00e7\u00e3o dessa onda (velocidade \u00e9 em metros por segundo), basta “casar” as unidades e teremos a equa\u00e7\u00e3o b\u00e1sica:<\/p>\n

v = L . f<\/p>\n

Como in\u00fameras medi\u00e7\u00f5es experimentais comprovaram, a velocidade de propaga\u00e7\u00e3o da radia\u00e7\u00e3o eletromagn\u00e9tica no v\u00e1cuo \u00e9 uma constante, ou seja, 300000 km\/s, ou seja, 300000000 m\/s. Logo, dada a freq\u00fc\u00eancia em kHz, 300000\/f, nos d\u00e1 direto o comprimento de onda em metros e dado o comprimento de onda em m , 300000\/L, nos d\u00e1 a freq\u00fc\u00eancia em kHz. A comunica\u00e7\u00e3o usando a faixa de HF \u00e9 poss\u00edvel porque existe uma camada da atmosfera superior terrestre chamada ionosfera, a qual refrata e\/ou reflete as ondas de r\u00e1dio. <\/p>\n

A IONOSFERA<\/strong><\/p>\n

A ionosfera, como o nome diz, \u00e9 composta de part\u00edculas carregadas eletricamente chamadas \u00edons. \u00cdons nada mais s\u00e3o do que \u00e1tomos ou mol\u00e9culas que ganharam ou perderam el\u00e9trons apresentando, portanto carga el\u00e9trica negativa (chamados \u00e2nions) ou carga el\u00e9trica positiva (chamados c\u00e1tions). O processo de transfer\u00eancia de el\u00e9trons (perda ou ganho) envolve energia, e essa energia tem de vir ou ir para algum lugar. Retirar el\u00e9trons \u00e9 sin\u00f4nimo de realiza\u00e7\u00e3o de trabalho logo gasta energia. Na ionosfera esses \u00edons est\u00e3o dispostos em muitas camadas que s\u00e3o capazes de refletir as ondas de r\u00e1dio na faixa de HF e devolv\u00ea-las \u00e0 Terra em uma trajet\u00f3ria que faz com que as mesmas percorram grandes dist\u00e2ncias. <\/p>\n

As caracter\u00edsticas el\u00e9tricas dessas camadas, as quais s\u00e3o coletivamente referidas como ionosfera, est\u00e3o sujeitas a amplas varia\u00e7\u00f5es. Isto ocorre por que a ionosfera \u00e9 formada pela radia\u00e7\u00e3o proveniente do SOL. \u00c9 essa a fonte da energia necess\u00e1ria para arrancar os el\u00e9trons das mol\u00e9culas do topo da atmosfera e transform\u00e1-las em \u00edons. A intensidade da radia\u00e7\u00e3o solar modifica-se com a hora, com a esta\u00e7\u00e3o do ano, com a localiza\u00e7\u00e3o geogr\u00e1fica. Al\u00e9m disso ocorrem varia\u00e7\u00f5es c\u00edclicas na capacidade da ionosfera de refletir ondas de r\u00e1dio. Esses ciclos est\u00e3o vinculados ao ciclo de aproximadamente 11 anos de atividade solar. <\/p>\n

De 11 em 11 anos ocorre um aumento no n\u00famero de manchas solares. Essas manchas s\u00e3o \u00e1rea turbulentas que produzem consider\u00e1vel quantidade de radia\u00e7\u00e3o. Quando a superf\u00edcie solar est\u00e1 coberta com um grande n\u00famero de manchas,a ionosfera \u00e9 eletricamente mais carregada e as radio comunica\u00e7\u00f5es em ondas curtas s\u00e3o geralmente muito boas. Quando o n\u00famero de manchas solares diminui, as condi\u00e7\u00f5es tornam-se piores. O atual ciclo solar, o vig\u00e9simo terceiro observado desde que registros precisos come\u00e7aram, encontra-se um pouco al\u00e9m do m\u00e1ximo, j\u00e1 em fase decrescente, mas ainda com muita atividade solar. <\/p>\n

A DESCOBERTA DA IONOSFERA<\/strong><\/p>\n

Em 1902, dois cientistas, Arthur Kennelly nos EUA e Oliver Heaviside na Gr\u00e3-Bretanha sugeriram teoricamente, em artigos cient\u00edficos independentes, que a a atmosfera superior terrestre seria composta de um regi\u00e3o condutora de eletricidade. Seria essa camada que agiria como obst\u00e1culo e defletiria os sinais de r\u00e1dio que permitiram experi\u00eancias de transmiss\u00e3o transatl\u00e2ntica que ocorreram 1 ano antes. Foram necess\u00e1rias mais de duas d\u00e9cadas para que essa hip\u00f3tese fosse verificada experimentalmente, especificamente em 1924 pelo cientista ingl\u00eas Edward Appleton. Hoje sabe-se que a atmosfera superior \u00e9 composta principalmente por nitrog\u00eanio, oxig\u00eanio e seus compostos, com pequenas quantidades de hidrog\u00eanio, h\u00e9lio e outros gases. Esta descri\u00e7\u00e3o foi obtida experimentalmente a partir de bal\u00f5es de alta altitude, foguetes ou medidas de sat\u00e9lites ao longo das \u00faltimas d\u00e9cadas. Essas medi\u00e7\u00f5es experimentais comprovaram as teorias de que o tipo de radia\u00e7\u00e3o solar de principal import\u00e2ncia na forma\u00e7\u00e3o da ionosfera era a radia\u00e7\u00e3o ultravioleta. A grande quantidade de energia associada com essa radia\u00e7\u00e3o seria a fonte de energia necess\u00e1ria para a ioniza\u00e7\u00e3o. <\/p>\n

Hoje em dia \u00e9 aceito que o papel da radia\u00e7\u00e3o ultravioleta \u00e9 primordial nas camadas mais externas da ionosfera, enquanto que al\u00e9m desse tipo de radia\u00e7\u00e3o, a radia\u00e7\u00e3o do tipo raios-x, raios c\u00f3smicos e outros freq\u00fc\u00eancias de radia\u00e7\u00e3o tamb\u00e9m tem import\u00e2ncia nas camadas mais baixas da ionosfera. Se a radia\u00e7\u00e3o solar desaparece (\u00e0 noite, ou por um eclipse solar) os el\u00e9trons e os \u00edons se recombinam formado \u00e1tomos e mol\u00e9culas eletricamente neutros. O processo de ioniza\u00e7\u00e3o recome\u00e7a novamente quando do nascer do sol. Ocorre que h\u00e1 uma diferen\u00e7a de velocidade entre a ioniza\u00e7\u00e3o e a recombina\u00e7\u00e3o. A ioniza\u00e7\u00e3o \u00e9 um processo mais r\u00e1pido do que a recombina\u00e7\u00e3o. Assim a chamada densidade eletr\u00f4nica da ionosfera diminui em uma velocidade menor do que a velocidade de aumento da densidade eletr\u00f4nica devido ao nascer do sol. <\/p>\n

A ESTRUTURA DA IONOSFERA<\/strong><\/p>\n

Como a radia\u00e7\u00e3o chega do exterior at\u00e9 a atmosfera terrestre, primeiro ocorre a ioniza\u00e7\u00e3o dos gases rarefeitos encontrados mas externamente. A medida que a radia\u00e7\u00e3o penetra mais profundamente na atmosfera, encontra uma densidade crescente de gases, e a quantidade de ioniza\u00e7\u00e3o aumenta. Penetrando al\u00e9m, ela produz mais e mais ioniza\u00e7\u00e3o, mas como a ioniza\u00e7\u00e3o despende energia essa radia\u00e7\u00e3o \u00e9 totalmente dissipada at\u00e9 que o processo de ioniza\u00e7\u00e3o acaba. Ent\u00e3o \u00e9 formada uma regi\u00e3o de m\u00e1xima ioniza\u00e7\u00e3o, com regi\u00f5es de densidades eletr\u00f4nicas inferiores abaixo da mesma. Como a composi\u00e7\u00e3o do topo da atmosfera varia conforme a altitude e como os diversos gases respondem especificamente a diferentes freq\u00fc\u00eancias, existe uma tend\u00eancia da ioniza\u00e7\u00e3o ocorrer em diferentes camadas. Estas camadas est\u00e3o entre aproximadamente entre 50 a 650 km acima da superf\u00edcie da Terra. Enquanto estas regi\u00f5es ionizadas s\u00e3o usualmente mencionadas como camadas, elas n\u00e3o est\u00e3o completamente separadas uma da outra. <\/p>\n

[photopress:ioion1.gif,full,centered]
\nAs camadas da Ionosfera e sua altitude em rela\u00e7\u00e3o a superf\u00edcie da Terra<\/p>\n

Cada regi\u00e3o ou camada se sobrep\u00f5em em alguma extens\u00e3o formando uma cont\u00ednua mas n\u00e3o uniforme \u00e1rea ionizada com ao menos 4 picos de intensidade de densidade i\u00f4nica, chamadas regi\u00f5es D, E, F1 e F2. Existem diferen\u00e7as grandes entre os perfis das camadas de acordo com a esta\u00e7\u00e3o do ano, devido a mudan\u00e7a da proximidade com o Sol e a sua posi\u00e7\u00e3o no c\u00e9u. Esta “posi\u00e7\u00e3o” \u00e9 chamada de \u00e2ngulo de z\u00eanite solar. Mantidos outros fatores constantes, quanto mais alto o Sol, maior a densidade eletr\u00f4nica. O uso das letras para designar as v\u00e1rias regi\u00f5es da ionosfera foi devido ao trabalho de Edward Appleton, baseado na descoberta da camada Kenelly-Heaviside em 1924. Ele utilizou a letra E para esta camada, j\u00e1 que essa simbologia normalmente \u00e9 usada para designar o vetor campo el\u00e9trico. Como ele mesmo previu, deixou assim muitas letras tanto acima quanto abaixo para designar futuras descobertas. O nome ionosfera foi dado por Sir Robert Watson-Watt, um colega de Appleton no in\u00edcio do trabalho e um dos pioneiros do trabalho sobre o radar. <\/p>\n

A CAMADA D<\/strong><\/p>\n

Apesar de todo o trabalho experimental a respeito da ionosfera no final dos anos 60 e nos 70, do s\u00e9culo passado, a camada D continua ainda um pouco enigm\u00e1tica. Esta camada, a qual se estende de 65 a 100 km acima da superf\u00edcie terrestre e somente existe durante o dia enquanto a Terra encontra-se iluminada pelo Sol. Determinar a composi\u00e7\u00e3o qu\u00edmica da camada D foi muito dif\u00edcil utilizando as modernas t\u00e9cnicas experimentais. A esta altitude relativamente baixa quando comparada com as outras camadas, a press\u00e3o ainda \u00e9 suficientemente “grande” para produzir uma alta freq\u00fc\u00eancia de colis\u00f5es entre as part\u00edculas elementares constituintes da atmosfera, assim, os estudos convencionais n\u00e3o podem ser usados. <\/p>\n

Portanto a qu\u00edmica da camada D \u00e9 a menos conhecida. Com respeito as comunica\u00e7\u00f5es via r\u00e1dio a camada D \u00e9 um gigantesco atenuador, absorvendo os sinais de HF que passam atrav\u00e9s. Como a atenua\u00e7\u00e3o varia com o inverso do quadrado da freq\u00fc\u00eancia, quanto maior a freq\u00fc\u00eancia do sinal de r\u00e1dio utilizado, menor a absor\u00e7\u00e3o do sinal pela camada D. Ap\u00f3s o p\u00f4r-do-sol essa camada se recombina e as baixas freq\u00fc\u00eancias passam a ser refletidas pelas camadas superiores. Esse \u00e9 o motivo porque a noite \u00e9 poss\u00edvel ouvir transmiss\u00f5es em O.M. muito distantes por meios de propaga\u00e7\u00e3o ionosf\u00e9rica (a chamada onda de c\u00e9u, ou no original, skywave). <\/p>\n

A CAMADA E<\/strong><\/p>\n

O limite superior da camada D acaba se misturando com outra regi\u00e3o distinta chamada camada E, a qual ocorre principalmente durante o dia entre 100 e 125 km. \u00c9 uma fina camada de 5 a 10 km de espessura, Existem muitos tipos de mecanismos de ioniza\u00e7\u00e3o que operam a essa faixa de altitude dependendo da latitude, esta\u00e7\u00e3o do ano, e n\u00edvel de atividade solar. Acreditava-se que esta camada desaparecia durante a noite. Mas experimentos no in\u00edcio dos anos 80 do s\u00e9culo passado, durante o pico do ciclo solar 21, demonstraram o contr\u00e1rio. A camada E n\u00e3o desaparece, mas de fato apresenta uma permanente mas ineficiente fonte de propaga\u00e7\u00e3o noturna. Foi tamb\u00e9m durante essa s\u00e9rie de medidas experimentais que foi determinado que a ionosfera \u00e9 turbulenta, j\u00e1 que ap\u00f3s 2 minutos, qualquer vari\u00e1vel medida na ionosfera modifica-se de valor. <\/p>\n

A CAMADA E ESPOR\u00c1DICA<\/strong><\/p>\n

Em adi\u00e7\u00e3o a camada E normal da ionosfera, existem regi\u00f5es ionizadas que ocorrem esporadicamente. Diferentemente das camadas normais, estas regi\u00f5es espor\u00e1dicas vem e v\u00e3o irregularmente, e existem diversas teorias a respeito da sua causa. A altura destas regi\u00f5es ou “caminhos” \u00e9 vari\u00e1vel, mas elas ocorrem na maior parte das vezes a uma altitude de 100 km. Desde que apresenta a mesma altitude da camada E, por isso s\u00e3o chamadas coletivamente de E espor\u00e1dico.
\nA camada E espor\u00e1dica \u00e9 uma regi\u00e3o intensamente ionizada, e muito limitada em termos de extens\u00e3o. Uma “nuvem” de camada E espor\u00e1dica pode ter de 80 a 170 km em di\u00e2metro, e pode permanecer somente por algumas horas antes de dissipar. Muitas dessa “nuvens” se deslocam a velocidade de centenas de quil\u00f4metros por hora. A causa da ioniza\u00e7\u00e3o da camada E espor\u00e1dica n\u00e3o \u00e9 ainda totalmente entendida. \u00c9 sabido que meteoros se desintegram nas altitudes da camada E e que os \u00edons met\u00e1licos residuais criam “caminhos” de alta ioniza\u00e7\u00e3o. Este pode ser um fator envolvido no surgimento de E espor\u00e1dico.
\nEm regi\u00f5es equatoriais o E espor\u00e1dico \u00e9 um fen\u00f4meno diurno, e provavelmente \u00e9 causado pela instabilidade no plasma causada pelo jato eletr\u00f4nico equatorial (conv\u00e9m mencionar que existem correntes de convec\u00e7\u00e3o de alt\u00edssima velocidades associadas a altas altitudes). As altas velocidades encontradas aqui podem criar densos “caminhos”. Ao redor do equador geomagn\u00e9tico o E espor\u00e1dico pode permanecer por 90% das horas do dia. <\/p>\n

A CAMADA F, OU MELHOR, AS CAMADAS Fs<\/strong><\/p>\n

As camadas Fs s\u00e3o as mais importantes regi\u00f5es da ionosfera e com elas as comunica\u00e7\u00f5es de ondas curtas em alta dist\u00e2ncia est\u00e3o relacionadas . Durante as horas do dia existem duas regi\u00f5es bem definidas, a camada F1 e a camada F2. Em um dia de inverno a camada F1 come\u00e7a um pouco acima do limite superior da camada E (150 km) e se estende at\u00e9 cerca de 250 km. Durante o dia de ver\u00e3o a camada F1 \u00e9 encontradas em altitudes maiores. A camada F2 varia de 350 km durante o inverno e pode chegar a 500 km durante o ver\u00e3o. A maioria das transmiss\u00f5es em onda curta s\u00e3o acompanhadas atrav\u00e9s da camada F2.
\nA evid\u00eancia experimental indica que a camada F1 desaparece durante a noite. J\u00e1 durante o dia \u00e9 essa camada que suporta transmiss\u00f5es de curto a m\u00e9dio alcance. A camada F1 se comporta de forma semelhante a camada E . Diferentemente de todas as outras camadas a camada F2 existe independente de ser dia ou noite e \u00e9 sempre capaz de sustentar propaga\u00e7\u00e3o em alguma freq\u00fc\u00eancia. \u00c9 a mais importante das camadas e \u00e9 o seu comportamento que \u00e9 predito pela maioria dos programas de computador que fazem predi\u00e7\u00e3o de condi\u00e7\u00f5es de propaga\u00e7\u00e3o, como o MINIMUF, por exemplo. <\/p>\n

ACIMA DA REGI\u00c3O F<\/strong><\/p>\n

Aproximadamente 95% dos \u00e1tomos e mol\u00e9culas que formam a ionosfera est\u00e3o contidos abaixo dos 1000 km de altitude. Medidas utilizando sat\u00e9lites indicam que a densidade eletr\u00f4nica entre 650 e 1000 km \u00e9 muito pequena e que tem pouca import\u00e2ncia para transmiss\u00f5es em ondas curtas ou radioamadores. <\/p>\n

Dica de site a respeito do assunto: <\/p>\n

Quem tiver interesse em acompanhar uma anima\u00e7\u00e3o a respeito do fen\u00f4meno da propaga\u00e7\u00e3o, e tiver o FLASH da MACROMEDIA instalado no seu computador, deve acessar: http:\/\/www.ae4rv.com\/tn\/propflash.htm<\/p>\n

* Artigo publicado no Boletim @tividade DX produzido pelo DX Clube do Brasil<\/em><\/a><\/p>\n


\n