Universidade do Vale do Paraíba
Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento
VIRGÍNIA KLAUSNER DE OLIVEIRA
ESTUDO DA PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE GRAVIDADE NA
IONOSFERA EM BAIXAS LATITUDES USANDO TÉCNICAS DE
RÁDIO SONDAGEM
São José dos Campos, SP.
2007
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Propagação de Ondas de Gravidade na Ionosfera e Baixas Latitudes , Notas de estudo de Engenharia de Telecomunicações
Dissertação
Tipologia: Notas de estudo
2012
1 / 127
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Universidade do Vale do Paraíba Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento
VIRGÍNIA KLAUSNER DE OLIVEIRA
ESTUDO DA PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE GRAVIDADE NA
IONOSFERA EM BAIXAS LATITUDES USANDO TÉCNICAS DE
RÁDIO SONDAGEM
São José dos Campos, SP. 2007
VIRGÍNIA KLAUSNER DE OLIVEIRA
ESTUDO DA PROPAGAÇÃO D E ONDAS DE GRAVIDADE NA
IONOSFERA EM BAIXAS LATITUDES USANDO TÉCNICAS DE
RÁDIO SONDAGEM
São José dos Campos, SP. 2007
Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Física e Astronomia da Universidade do Vale do Paraíba, como complementação dos créditos necessários para obtenção do título de Mestre em Física e Astronomia.
Orientadores: - Prof. Dr. Paulo Roberto Fagundes
VIRGÍNIA KLAUSNERDE OLIVEIRA
*ESTUDO (^) DA PROPAGAÇAODE ONDASDE GRAVIDADE NA
IONOSFERAEM BAIXAS LATITUDES USANDOTECNICAS^ DE
nÁuo SoNDAGEM"
Dissertaçãoaprovada^ como requisito parcial à obtenção^ do grau de Mestre em Física e
Astronomia,do Programade Pós-Graduaçãoem Físicae Astronomia,do Instituto^ de Pesquisae
Desenvolvimentoda Universidadedo Vale do Paraiba,SãoJosédos Campos,SP,^ pela seguinte
bancaexaminadora:
Prof. Dr. CRISTIANO MAX WRASSE (UNIVAP
Prof. Dr. PAULO ROBERTO FAGUNDES (UNIVAP
Prof. Dr. ALAN PRESTES (UNIVAP
Prof. Dr. HISAO TAKAHASHI^ (INPE)
Prof. Dr. MarcosTadeuTavaresPacheco
Diretor do IP&D - UniVap
SãoJosédos Campos,05 de dezembrode 2007.
A todas as mulheres que ousaram quebrar paradigmas apesar de todos os preconceitos envolvidos.
ESTUDO DA PROPAGAÇÃO DE ONDAS DE GRAVIDADE NA
IONOSFERA EM BAIXAS LATITUDES USANDO TÉCNICAS DE
RÁDIO SONDAGEM.
RESUMO
Utilizou-se sondagem ionosférica através de uma ionossonda tipo CADI ( Canadian Advanced Digital Ionosonde ) localizada em São José dos Campos (23,2o^ S; 45,9o^ O; dip latitude 17,6o^ S) na região do máximo da anomalia equatorial, durante o período de atividade solar máxima entre setembro de 2000 a agosto de 2001 e atividade solar mínima entre janeiro de 2006 a dezembro de 2006. Neste estudo foram observados tanto dias calmos como dias geomagneticamente perturbados. Utilizando gráficos de alta resolução temporal ( segundos), notou-se que o perfil vertical de densidade eletrônica observado apresentou uma forte perturbação ondulatória e tais perturbações foram atribuídas à propagação de ondas de gravidade na região F. Este trabalho tem o objetivo de apresentar e discutir as variações ocorridas nos gráficos de isofreqüência causadas pela propagação de ondas de gravidade em função do ciclo solar. Para isso, as ondas de gravidade foram classificadas de acordo com a variação de amplitude vertical em três grupos distintos: fraca (amplitude < 40 km), moderada (40 km = amplitude = 60 km) e forte (amplitude > 60 km). Verificou-se a variação sazonal em função do ciclo solar dos três grupos de ondas distintos observados. Este trabalho, também, apresenta e discute os principais parâmetros (período, comprimento de onda vertical e velocidade vertical de fase) para ondas de gravidade fracas e moderadas/fortes em função do ciclo solar. Durante a atividade solar máxima, as ondas de gravidade fracas observadas em dias calmos apresentaram períodos entre 30 a 60 minutos, comprimen tos de onda vertical entre 200 a 500 km e velocidade de fase entre 60 a 180 m/s. Em alguns eventos, a propagação das ondas de gravidade na região F pode causar uma intensa perturbação no perfil vertical na densidade eletrônica e favorece a ocorrência de fo rmação de uma camada adicional, denominada camada F3, durante o período diurno.
Palavras chave:ondas de gravidade, região -F, ionosfera, baixas latitudes
STUDY OF PROPAGATING GRAVITY WAVES THROUGH THE
IONOSPHERE AT LOW LATITUDES OBTAINED FROM RADIO
WAVE SOUNDING.
ABSTRACT
Ionospheric vertical sounding observations have being carried out using the Canadian Advanced Digital Ionosonde (CADI) at São José dos Campos (23.2o^ S, 45.9o^ W, dip latitude 17.6o^ S), Brazil. This region is located under the southern crest of the Equatorial Ionization Anomaly (EIA). The studied interval comprehends during high solar activity from September 2000 to August 2001 and low solar activity from January 2006 to December 2006. In this study both quiet and disturbed geomagnetic conditions are presented. Using plots with high sampling rate (100 s), it was possible to investigate the ionospheric heights variations due to strong wave structures, and these wavelike disturbances indicate the presence of propagating gravity waves in the F-region. The gravity wave signatures in the F2-layer can be seen in the iso frequency plots as a function of solar activity. Then, the gravity waves were classified , according to the amplitude of oscillations induced in the virtual heights , in three groups: weak (amplitude < 40 km), moderate (40 km = amplitude = 60 km), and strong (amplitude > 60 km). The three different groups of gravity waves presented seasonal and solar cycle variation. In this investigation are also presented and discussed the main gravity waves parameters (period, vertical phase velocity and vertical wavelength) for both groups, weak and moderate/strong. During the high solar activity, the weak gravity waves observed during quiet days have periods of about 30 - 60 min, vertical wavelenghts of about 200 – 500 km and downward phase velocities of about 60 – 180 m/s. The vertical variations in F-layer plasma density profiles caused by gravity waves were sometimes so intense that in additional F3 layer may form during the daytime.
Key word: gravity waves, F-region, ionosphere, low latitudes
Figura 3.2 Relação entre os parâmetros de uma onda d e gravidade. Fonte: Modificada de Hargreaves (1992). ........................................................................................................... 43 Figura 3.3 Ilustração da propagação de uma onda de gravidade. Fonte: Modificada de Hargreaves (1992). ........................................................................................................... 45 Figura 4.1 Evolução temporal de ionogramas adquiridos em dezembro 31, 2000 durante a propagação de ondas de gravidade entre 10:40 UT (07:40 LT) e 11:25 UT (08:25 LT), observado em São José dos Campos (23,2ºS; 45,9ºO; dip latitude 17,6ºS). .................... 52 Figura 4.2 Evolução temporal de ionogramas adquiridos em dezembro 31, 2000 durante a propagação de ondas de gravidade entre 14:20 UT (11:20 LT) e 15:05 UT (12:05LT), observado em São José dos Campos (23,2ºS; 45,9ºO; dip latitude 17,6ºS). .................... 53 Figura 4.3 Evolução temporal de ionogramas adquiridos em dezembro 31, 2000 durante a ocorrência de irregularidades ionosféricas de larga escala (Spread-F) entre 04:40 UT (01:40 LT) e 07:40 UT (04:40 LT), observado em São José dos Campos (23,2ºS; 45,9ºO; dip latitude 17,6ºS). .......................................................................................................... 55 Figura 4.4 Evolução temporal de ionogramas adquiridos em dezembro 31, 2000 durante a ocorrência do “Pico Pré-Reverso” entre 21:15 UT (18:15 LT) e 23:30 UT (20:30 LT).. 55 Figura 4.5 Variação da altura virtual nas freqüências de 3,1; 4,1; 5,1; 6,3; 7,1 e 8,1 MHz referentes a dezembro 31, 2000. As regiões ampliadas mostram a propagação de ondas de gravidade (Figura 4.5A), a ocorrência de irregularidades ionosférica de larga escala “Spread-F” (Figura 4.5B) e o comportamento do pico pré-reversão (Figura 4.5C). ........ 56 Figura 4.6 Variação da altura virtual nas freqüências de 5,1; 6,3 e 7,1 MHz referente a dezembro 31, 2000. As setas demonstram a amplitude das ondas de gravidade entre as 09:00 UT até às 12:00 UT. ............................................................................................... 58 Figura 4.7 Variação da altura virtual nas freqüências de 3,1; 4,1; 5,1; 6,3; 7,1 e 8,1 MHz referente a 23 de maio de 2001. A região ampliada corresponde somente às oscilações na freqüência de 7,1 MHz, e apresenta amplitudes abaixo de 40 km, classificadas como ondas de gravidade fracas................................................................................................. 61 Figura 4.8 Variação da altura virtual nas freqüências de 3,1; 4,1; 5,1; 6,3; 7,1 e 8,1 MHz referente a 17 de dezembro de 2000. A região ampliada corresponde somente às oscilações na freqüência de 7,1 MHz, e apresenta amplitudes entre 40 km e 60 km, classificadas como ondas de gravidade moderadas.......................................................... 62 Figura 4.9 Variação da altura virtual nas freqüências de 3,1; 4,1; 5,1; 6,3; 7,1 e 8,1 MHz referente a 31 de dezembro de 2000. A região ampliada corresponde somente às oscilações na freqüência de 7,1 MHz, e apresenta amplitudes acima de 60 km, classificadas como ondas de gravidade fortes. ................................................................. 63 Figura 4.10 Gráfico do tipo barra para a variação diária da amplitude das ondas de gravidade referente ao mês dezembro de 2000. A cor azul representa as ondas de gravidade de amplitudes inferiores a 40 km (fracas), verde pra amplitudes entre 40 a 60 km e vermelha para amplitudes acima de 60 km. ..................................................................................... 64 Figura 4.11 Obtenção dos parâmetros de onda através de gráfico da isofreqüência, tais como o período (variação de tempo de pico a pico) e velocidade (variação entre a altitude e tempo de propagação do pico entre duas freqüências de 7,1 e 6,3 MHz). ....................... 65 Figura 4.12 Fases características de uma tempestade magnética. ........................................... 67 Figura 4.13 Gráfico do índice Dst para o mês de setembro, 2000. As regiões identificadas correspondem às tempestades geomagnéticas.................................................................. 68 Figura 4.15 Modelo do perfil da densidade eletrônica para a formação da camada F1,5/F considerando os efeitos da deriva e do vento meridional. Fonte: Balan e Bailey, 1995.. 72 Figura 4.16 Histogramas mostrando a variação sazonal e a dependência do ciclo solar para a formação de F1,5/F3. Fonte: Rao et. al., 2005. ................................................................ 74
Figura 4.17 Mostra a evolução temporal de ionogramas adquiridos em setembro 8, 2000 durante a ocorrência de estratificação adicional da região F entre as camadas F1 e F denominada camada F1,5 entre 15:00 UT (12:00 LT) e 15:45 UT (12:45LT). ............... 75 Figura 4.18 Mostra a evolução temporal de ionogramas adquiridos em 11 de fevereiro de 2001 durante a ocorrência de estratificação adicional da região F acima da camada F denominada camada F3 entre 14:15 UT (11:15 LT) e 15:00 UT (12:00 LT). ................. 76 Figura 4.19 Gráfico tipo barra para a ocorrência diária de F1,5/F3 para o mês dezembro de
- A cor preta representa o período de ocorrência de F1,5/F3 e a cor cinza representa a ausência de dados........................................................................................................... 77 Figura 5.1 Histograma mostrando a distribuição das ondas de gravidade fracas observadas para o período de atividade solar máxima em função do total de horas de ocorrência. ... 79 Figura 5.2 Histograma mostrando a distribuição das ondas de gravidade moderadas e fortes observadas para o período de atividade solar máxima em função do total de horas de ocorrência. ........................................................................................................................ 80 Figura 5.3 Variação sazonal de ocorrência de ondas de gravidade para os meses de setembro de 2000 a agosto de 2001 (atividade solar máxima). As barras verticais azuis, verdes e vermelhas indicam o total de número de horas de ocorrência de ondas de gravidade fracas, moderadas e forte, respectivamente...................................................................... 81 Figura 5.4 Variação da amplitude de pico a pico das ondas de gravidade para período de um ano entre setembro de 2000 a agosto de 2001 (máxima atividade solar). ........................ 83 Figura 5.5 Histograma mostrando a distribuição das ondas de gravidade fracas observadas para o período de atividade solar mínima em função do total de horas de ocorrência..... 84 Figura 5.6 Histograma mostrando a distribuição das ondas de gravidade moderadas e fortes observadas para o período de atividade solar máxima em função do total de horas de ocorrência. ........................................................................................................................ 85 Figura 5.7 Variação sazonal de ocorrência de ondas de gravidade para os meses de janeiro, 2006 a dezembro, 2006 (atividade solar mínima). As barras verticais azuis, verdes e vermelhas indicam o total de número de horas de ocorrência de ondas de gravidade fracas, moderadas e forte, respectivamente...................................................................... 86 Figura 5.8 Variação da amplitude de pico a pico das ondas de gravidade para período de um ano entre janeiro, 2006 a dezembro 2006 (mínima atividade solar)................................. 87 Figura 5.9 Gráficos dos períodos, comprimentos de onda e velocidades das ondas de gravidade fracas para os meses de setembro, 2000 a agosto, 2001(atividade solar máxima) e de janeiro, 2006 a dezembro, 2006 (atividade solar mínima). Os pontos azuis claros, azuis, vermelhos e pretos indicam a média diária dos parâmetros para dias calmos, valores para dias calmos, valores para dias geomagneticamente perturbados e média diária dos parâmetros para dias perturbados, respectivamente.............................. 90 Figura 5.10 Gráficos dos períodos, comprimentos de onda e velocidades das ondas de gravidade moderadas e fortes para os meses de setembro, 2000 a agosto, 2001(atividade solar máxima) e de janeiro, 2006 a dezembro, 2006 (atividade solar mínima). Os pontos azuis claros, azuis, vermelhos e pretos indicam a média diária dos parâmetros para dias calmos, valores para dias calmos, valores para dias geomagneticamente perturbados e média diária dos parâmetros para dias perturbados, respectivamente.............................. 91 Figura 5.11 Histograma dos parâmetros de onda de gravidade fracas (período, comprimento de onda vertical e velocidade de fase vertical) observadas nos meses de setembro de 2000 a agosto de 2001(atividade solar máxima) e de janeiro de 2006 a dezembro de 2006 (atividade solar mínima) para períodos calmos (cor azul) e perturbados (cor vermelha). Figura 5.12 Histograma dos parâmetros de onda de gravidade moderadas e fortes (período, comprimento de onda vertical e velocidade de fase vertical) observadas nos meses de setembro de 2000 a agosto de 2001(atividade solar máxima) e de janeiro de 2006 a
LISTA DE QUADROS
Quadro 2.1 Cálculo da giro-freqüência para diferentes valores de altitude. ........................... 18 Quadro 2.2 Especificações da CADI....................................................................................... 28 Quadro 3.1 Principais tipos de ondas atmosféricas................................................................. 37 Quadro 4.1 Variação da amplitude das ondas de gravidade em quilômetros e sua classificação conforme sua intensidade. ........................................................................... 59 Quadro 4.2 Coordenadas dos pontos 1 e 2 da onda do dia 31 de dezembro de 2000. ............ 66 Quadro 4.3 Intensidade das tempestades geomagnéticas........................................................ 68 Quadro 4.4 Variação da atividade geomagnética correspondente ao período perturbado (mês e ano) e ao dia deste período que apresentou a menor excursão negativa do índice Dst para o período de atividade solar máxima. ....................................................................... 69 Quadro 4.5 Variação da atividade geomagnética correspondente ao período perturbado (mês e ano) e ao dia deste período que apresentou a menor excursão negativa do índice Dst para o período de atividade solar mínima. ........................................................................ 70 Quadro 5.1 Total do número de horas para grupo distinto de ondas de gravidade (fraca, moderada e forte) para cada estação do ano (verão, inverno, outono e primavera) para os períodos de atividade solar máxima (2000-2001). ........................................................... 82 Quadro 5.2 Total do número de horas para grupo distinto de ondas de gravidade (fraca, moderada e forte) para cada estação do ano (verão, inverno, outono e primavera) para os períodos de atividade solar mínima (2006). ..................................................................... 86
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
CADI – Canadian Advanced Digital Ionosonde
Dst – Disturbance Storm Time
EIA – Equatorial Ionization Anomaly
EUV – Extremo Ultravioleta
LT – Local Time
PC – Personal Computer
RF – Rádio-Freqüência
RX – Raios X
SDD – Síntese Digital Direta
SJC – São José dos Campos
TIDs – Travelling Ionospheric Disturbance
UDIDA – Univap Dig ital Data Analysis
UNIVAP – Universidade do Vale do Paraíba
UT – Universal Time
UV – Ultravioleta
f (^) 0 - freqüência crítica de reflexão
N (^) max- densidade ionosférica para a reflexão total
f 0 E - freqüência crítica de reflexão máxima da camada E
f (^) 0 F 1 - freqüência crítica de reflexão máxima da camada F
f (^) 0 F 2 - freqüência crítica de reflexão máxima da camada F
h ' E - altura virtual mínima da camada E
h ' F - altura virtual mínima da camada F
h ' F 2 - altura virtual mínima da camada F
k - número de onda
ne ( z )- densidade numérica de elétrons em função da altura
T - período
C - velocidade do som na atmosfera neutra
c (^) p - calor específico à pressão constante
c V - calor específico a volume constante
p - pressão
p o - pressão no estado estático
p 1 - pressão no estado perturbado
u - velocidade no eixo x
w - velocidade no eixo z
P - constante
R - constante X - constante Z - constante A - amplitude da onda
K (^) x - número de onda complexo na direção horizontal ( x )
K (^) z - número de onda complexo na direção vertical ( z )
k (^) x - número de onda real na direção x
k (^) z - número de onda real na direção z
k - número de onda
V z - velocidade vertical de fase
Gregos
v
r
- velocidade das partículas
μ - índice de refração
μ 1 - índice de refração no ar atmosférico
μ 2 - índice de refração no plasma ionosférico
θ - ângulo de refração
θ (^) 1 - ângulo de refração no ar atmosférico
θ (^) 2 - ângulo de refração no plasma ionosférico
ω - freqüência angular da onda
ε (^) o - constante dielétrica
ω (^) pe - freqüência do plasma
ω o - freqüência da onda ordinária
ω (^) pe ( z )- freqüência do plasma em função da altura
γ - relação de calor específico
ρ - densidade de massa
ρ (^) o - densidade de massa no estado estático
ρ 1 - densidade de massa no estado perturbado
ω (^) a - freqüência acústica de corte
ω b - freqüência de Brunt -Väisälä.
λ x - comprimento de onda na direção x
λ z - comprimento de onda na direção z.
v - velocidade de onda
λ - comprimento de onda
v (^) x - velocidade da onda na direção x
v (^) z - velocidade da onda na direção z
Símbolos Especiais
∇ - Operador nabla
1 INTRODUÇÃO
Neste capitulo será apresentado uma breve descrição da atmosfera terrestre quanto ao
seu perfil de temperatura, composição química e distribuição vertical de ionização. Também,
serão apresentadas as características principais da ionosfera em baixas latitudes, entre os
principais fenômenos serão abordados: a corrente eletrojato equatorial, as irregularidades
ionosférica de grande escala, a anomalia equatorial e o efeito fonte. Ao final deste capítulo,
serão discutidos os objetivos primários deste trabalho e a estruturação dos capítulos
posteriores.
1.1 Atmosfera terrestre.
A atmosfera terrestre pode ser descrita quanto à função do estudo que se pretende,
podendo ser utilizado como critério a sua composição química, o seu perfil de temperatura, a
sua densidade eletrônica, etc.
A Figura 1.1 mostra como a atmosfera terrestre pode ser dividida quanto à sua
variação de temperatura em função da altura. De acordo com o perfil de temperatura, a
atmosfera está classificada em: troposfera (do solo até aproximadamente 15 km de altura),
estratosfera (entre 15 e 50 km), mesosfera (entre 50 e 100 km) e termosfera (acima de 100
km).
A troposfera é a porção inferior da atmosfera terrestre dominada pelos processos
metereológicos. A composição dos gases, nesta região, é praticamente uniforme, entretanto a
temperatura diminui com a altitude (aproximadamente 6.5 K/km) devido ao processo de
convecção, onde o ar quente é deslocado para cima e substituído pelo ar frio num movimento
cíclico contínuo, em resposta ao seu aquecimento diferencial (TASCIONE, 1988). Porém
acima de 15 km o gradiente de temperatura se inverte devido à absorção direta de raios
ultravioleta pelo ozônio (e vapor d’água). Até o começo do século 19, suponha-se que a
temperatura atmosférica diminuía com a altitude e que a atmosfera terrestre terminava em
aproximadamente 50 km, imergindo logo depois no espaço interplanetário. Porém,
experimentos realizados por L. P. Tesserenc de Bort em 1898, em médias latitudes, revelaram
a existência de uma região praticamente isotérmica com temperaturas de 200 K começando
em 11 km de altitude denominada tropopausa. Sabe-se que a tropopausa é a região
compreendida entre a troposfera e a estratosfera, nos trópicos esta região está compreendida
em aproximadamente 15 km, podendo se localizar entre 8 a 10 km nos pólos. Logo após a
tropopausa, ocorre uma inversão na evolução da temperatura caracterizando a região da
estratosfera (RISHBETH; GARRIOTT, 1969).
Figura 1.1 Representação esquemática da atmosfera terrestre em relação ao perfil de temperatura. Fonte: Modificada Hunsucker, 1991.
Acima de 50 km tem-se a mesosfera que é caracterizada pela diminuição da
temperatura com a altitude devido ao resfriamento radiativo. No limite superior desta região
tem-se a mesopausa (apresenta a mais baixa temperatura, ∼ 180 K. de toda a atmosfera) e no
limite inferior, a estratopausa. Acima da mesosfera está a termosfera, região da alta atmosfera