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INPE-11240-TDI/946 DERIVAS IONOSFÉRICAS EM LATITUDES EQUATORIAIS: OBSERVAÇÕES E MODELAGEM Fernando Celso Perin Bertoni Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Geofísica Espacial, orientada pelos Drs. Inez Staciarini Batista e Mangalhathayil Ali Abdu, aprovada em 12 de fevereiro de 2004. INPE São José dos Campos 2004
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INPE-11240-TDI/946
DERIVAS IONOSFÉRICAS EM LATITUDES EQUATORIAIS: OBSERVAÇÕES E MODELAGEM
Fernando Celso Perin Bertoni
Tese de Doutorado do Curso de Pós-Graduação em Geofísica Espacial, orientada pelos Drs. Inez Staciarini Batista e Mangalhathayil Ali Abdu, aprovada em
12 de fevereiro de 2004.
INPE São José dos Campos
2004
551.550.535 BERTONI, F. C. P. Derivas ionosféricas em latitudes equatoriais: observações e modelagem / F. C. P. Bertoni. – São José dos Campos: INPE, 2004. 150p. – (INPE-11240-TDI/946). 1.Ionosfera terrestre. 2.Termosfera terrestre. 3.Derivas ionosféricas. 4.Modelos. 5.Campo geomagnético. 6.Campo elétrico. 7.Ionossondas. 8.Radar de espalhamento incoerente. 9.Ventos termosféricos. I.Título.
Para Adriana, minha Amada!
Para minha mãe
e meu pai.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todas pessoas que me ajudaram a vencer mais esta etapa da vida. Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq, pelo auxilio financeiro de bolsa de doutorado. Ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE pela oportunidade de estudos e utilização de suas instalações. Ao Rádio Observatório de Jicamarca e ao CEDAR, pelos dados do radar de espalhamento incoerente. Ao Dr. Jonas Rodrigues de Souza pela grande colaboração e orientação na utilização e modificações do código do SUPIM Ao Dr. Abdu pelas importantes discussões e orientações À Dra. Inez pelas importantes contribuições e orientações e mesmo pelo apoio nas horas difíceis. Ao Prof. Dr. Bodo Reinisch e ao Prof. Dr. Gary Sales pela atenção, discussões científicas e pelos dados da Digissonda de Jicamarca, bem como a todo o pessoal do Centro de Pesquisas Atmosféricas da Universidade de Massachusetts Lowell: Ivan Galkin, Grigori Khmyrov, Alexander Koslov, Igor Lyssissian, Dr. Xuqin Huang, Claude Dozois, Dr. Klaus Bibl, Vadim Paznukhov, Dr. Paul Song, George Chenney, Lynne Schaufenbil, Jason Conway, Patrick Nsumei, Dr. Terence Bullett. À Maria Goreti dos Santos Aquino, à Lúcia de Almeida Terra Limiro e à Fátima Usifatti. À equipe de funcionários da Gráfica do INPE. Aos meus colegas, amigos e professores: Luís Felipe Resende, Christiano Garnett Brum, Alexander José Carrasco, Mariangel Fedrizzi, Fábio Vargas, Esphan Alam Kherani, Christiano Max Wrasse, Joaquim Fechine, Amita Muralikrishna, Pedrina Terra dos Santos, Dr. Eurico de Paula, Dr. Ivan Kantor, Dr. Polinaya Muralikrishna, Avicena Filho, Sinval Domingos, Francisco Mesquita, Lázaro de Camargo, Acácio Cunha Neto, Clézio De Nardin, Daniela Santana, Vivian Castilho, Janaína Steckel Retore. Enfim, a todos com quem troquei idéias. Ao Gáudio Ramirez Bertoni e à Hélia Perin Bertoni, meus pais, pelos incentivos e ênfase na importância dos estudos. Ao Ciro, ao Du, à Lilian e à Cláudia, meus irmãos e irmãs. Ao Lino Colvero e à Celina Colvero, à Luciana Colvero e ao Márcio Bueno dos Santos e à Fabiana Colvero, minha segunda família. À Adriana Colvero, minha querida esposa, pela grande força a toda hora!
RESUMO
Propôs-se, neste trabalho, desenvolver uma metodologia alternativa para obter velocidades de deriva ionosférica e de ventos termosféricos, visando o estudo do sistema termosfera-ionosfera (T-I) em regiões de latitudes magnéticas baixas e equatoriais. Esses estudos podem contribuir com as pesquisas de clima espacial. Nossa motivação vem do fato de que medidas de velocidade de deriva eletromagnética por radares de espalhamento incoerente não são feitas à base de rotina, sendo restritas a períodos de campanha. Da mesma forma, medidas de velocidade de ventos termosféricos feitas por interferômetros Fabry-Perot estão restritas a períodos noturnos não nublados. Usamos, neste trabalho, dados de observações feitas por uma Digissonda DGS-256 na estação de São Luis (2,6°S; 44°O) e por uma Digissonda DPS-4 e o radar de espalhamento incoerente na estação de Jicamarca (12°S; 77°O), bem como simulações feitas pelo modelo computacional SUPIM. Como resultado de nossos estudos, desenvolvemos uma metodologia que permite: obter o que denominamos como velocidades efetivas de deriva vertical e ventos termosféricos; fazer comparações entre as curvas observadas e modeladas de hmF2 (a altura do pico de densidade eletrônica da região F ionosférica), foF2 (a freqüência crítica da região F) e isolinhas de densidade. Conseqüentemente, pudemos observar os papéis desempenhados pela deriva vertical e pelos ventos termosféricos na ionosfera sobre a região do equador magnético. Durante todo o dia, a deriva vertical é diretamente responsável pelo controle do comportamento de hmF2, tendo pouca influência sobre o comportamento de foF2, enquanto os ventos termosféricos exercem diretamente um controle sobre o comportamento de foF2 e têm pouca influencia sobre o comportamento de hmF2. Os resultados obtidos neste trabalho mostram que podemos estender o uso da metodologia proposta para estudar um grande número de novas situações relacionadas a fenômenos que ocorrem no sistema termosfera-ionosfera.
IONOSPHERIC DRIFTS OVER EQUATORIAL LATITUDES: OBSERVATIONS AND MODELLING
ABSTRACT
It was proposed in this work to develop an alternative methodology to get ionospheric drift and thermospheric wind velocities in order to study the thermosphere-ionosphere (T-I) system at equatorial and low magnetic latitude regions. These studies can contribute to the space weather researches. Our motivation comes from the fact that the measurements of electromagnetic drift by incoherent scatter radars are not done in a routinely basis, being restricted to campaign periods. In the same way, thermospheric wind velocity measurements made by Fabry-Perot interferometers are restricted to nocturnal non-cloudy periods. We have used, in this work, observational data made by a Digisonde DGS-256 at the São Luis station (2,6°S; 44°O), Brazil, and by a Digisonde DPS-4 and the incoherent scatter radar at Jicamarca station (12°S; 77°O), Peru, as well as simulations made by computational model SUPIM. As a result of our studies, we developed a methodology to: obtain the effective velocities of vertical drift and thermospheric winds; make comparisons between observed and modeled curves of hmF2 (the F region electronic peak density height), foF2 (F region critical frequency) and density isolines. Consequently, we were able to observe the role played by the vertical drift and by the thermospheric winds over the ionosphere at the magnetic equatorial region. During the whole day, vertical drift is directly responsible by the hmF2 control behavior and has little influence on foF2, while the thermospheric winds directly control foF2 and have little influence on hmF2. Results obtained in this work show that we can extend the use of the proposed methodology to study a great number of phenomena related to the thermosphere-ionosphere system.
SUMÁRIO
Pág.
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO...................................................................................... 13
1.1 - A Ionosfera .................................................................................................................13 1.2 - Sistema Termosfera-Ionosfera......................................................................................14 1.3 - Campos Elétricos Ionosféricos .....................................................................................15 1.4 - Material e Instrumentação....... .....................................................................................16 1.5 - Objetivos ........................... .....................................................................................17 CAPÍTULO 2 - MEDIDAS DE DERIVA E IONOGRAMA: PRINCÍPIOS
FÍSICOS E PROCESSAMENTO ...................................................... 21
2.1 - Introdução ...................................................................................... ..........................21 2.2 - Sobre Ionogramas e Derivas .............................................................. ..........................21 2.2.1 - Ionogramas ................................................................................................................ 21 2.2.2 - Medidas de Deriva .................................................................................................... 24 2.3 - Processos Físicos................................................................................ ..........................26 2.3.1 - Propagação de Ondas em um Meio Magneto-Ionizado: Equação de Appleton........ 26 2.3.2 - Velocidade de Fase ................................................................................................... 30 2.3.3 - Velocidade de Grupo................................................................................................. 31 2.3.4 - Índice de Refração de Grupo..................................................................................... 31 2.3.5 - Caminho de Fase e de Feixe...................................................................................... 33 2.3.6 - Velocidade na Linha de Visada................................................................................. 36 2.3.7 - Relação entre Velocidade na Linha de Visada e Índice de Refração ao Longo do Caminho .............................................................................................................. 37 2.4 - Como São Obtidos os Dados de Deriva............................................. ..........................38 2.4.1 - Sobre o Método dos Cálculos pelo DDA.................................................................. 39 2.4.2 - Pós-Processamento.................................................................................................... 44 2.4.3 - Sobre o Método de Obtenção de Velocidade na Linha de Visada ............................ 44 2.4.4 - Sobre as Técnicas dhF/dt e dhF0.80/dt ....................................................................... 46 2.5 – Radar de espalhamento incoerente .............................................................................. 49 CAPÍTULO 3 - SOBRE O MODELO SUPIM................................................................ 53
3.1 - Introdução ...................................................................................... ..........................53 3.2 - Descrição do Modelo ......................................................................... ..........................54 3.2.1 - Dados de Entrada ...................................................................................................... 55 3.3 - Conjunto de Equações........................................................................ ..........................56 3.3.1 - Equação de Continuidade.......................................................................................... 56 3.3.2 - Equação de Momentum............................................................................................. 60 3.3.3 - Equação de Equilíbrio de Energia............................................................................. 61 3.3.4 - Método de Resolução das Equações ......................................................................... 62
3.4 - Procedimentos Utilizados com o Modelo .......................................... ..........................63 CAPÍTULO 4 - RESULTADOS I: COMPARAÇÃO DE VELOCIDADES .................. 65 4.1 - Radar e Digissonda ............................................................................ ..........................65 4.2 - DDAV e Vlos ...................................................................................... ..........................80 4.3 - Comentários ...................................................................................... ..........................83 CAPÍTULO 5 - RESULTADOS II: MODELAGEM DE DERIVA E VENTOS. .. ..... 85 5.1 - Introdução ...................................................................................... ..........................85 5.2 - Resultados de Modelagem Comparados a Observações .................... ..........................87 5.2.1 - Ajuste da Velocidade de Ventos ............................................................................... 87 5.2.2 - Ajuste da Velocidade de Deriva Vertical.................................................................. 93 5.3 - Resultados ...................................................................................... ..........................96 5.3.1 - Jicamarca .............................................................................................................. 97 5.3.2 – São Luis ............................................................................................................ 121 CAPÍTULO 6 - DISCUSSÕES E CONCLUSÕES ....................................................... 135 6.1 - Medidas com Diferentes Métodos ................................................... ..........................135 6.2 - Modelagens de Deriva e Ventos....................................................... ..........................139 6.3 - Trabalhos Futuros............................................................................. ..........................142 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 143
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CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1 A Ionosfera
A ionosfera é uma camada de gases ionizados que se estende a partir de altitudes
em torno de 60km até mais de 1000km. A fonte primária de ionização advém da
fotoionização dos componentes atmosféricos promovida, basicamente, pelos raios
solares na faixa de extremo ultravioleta (EUV) e de raios-X. Fontes secundárias de
ionização constituem-se de processos colisionais entre partículas excitadas, sejam elas
íons, elétrons ou moléculas neutras principalmente. Como a densidade da atmosfera
neutra decai exponencialmente com a altitude e a essas altitudes, portanto, é bem
rarefeita, as partículas ionizadas não se recombinam tão prontamente, tendo assim,
condições de perdurarem por mais tempo e conseqüentemente cria-se essa camada de
plasma, a qual fica imersa na atmosfera neutra ao redor do globo terrestre.
Observou-se ao longo dos anos que a ionosfera possui estratificações as quais
foram denominadas como regiões D, E e F. Em altitudes em torno de 300km, a
densidade do plasma ionosférico atinge picos de densidade eletrônica. Em outras
palavras, na região F encontram-se grandes concentrações de elétrons e íons. Isso ocorre
porque há um grande número de partículas ionizáveis e um grande número de fótons
incidentes. De modo geral a densidade do plasma ionosférico comparada à da atmosfera
neutra é bem pequena (em torno de 1% ou menos). Mesmo assim, em virtude de ser um
plasma, ele apresenta fenômenos característicos como ondas, interações e instabilidades
que não aparecem em gases neutros, fazendo-se importante estudar seu comportamento
e características.
O fluxo solar de fótons na faixa do EUV e raios-X além de realizar
fotoionização, aquece a alta atmosfera neutra. A partir de aproximadamente 90km de
altura a temperatura aumenta com a altura. Essa região da atmosfera alcança
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temperaturas em torno de 1000K (727°C) a aproximadamente 150km. Devido às
temperaturas que podem ser alcançadas, a região atmosférica acima de 90km foi
denominada termosfera.
1.2 Sistema Termosfera-Ionosfera
Uma das características da ionosfera é a sua capacidade de interação com a
atmosfera neutra (a termosfera mais especificamente), formando um sistema acoplado
de energia eletromecânica de enorme complexidade.
O aquecimento da região termosférica ocasiona gradientes de temperatura e
pressão e estes juntamente com o efeito da força de Coriolis instauram a movimentação
zonal e meridional do ar atmosférico na forma dos chamados ventos termosféricos.
Esses ventos, segundo Baker e Martyn (1953), dão origem a correntes verticais e
campos de polarização que influenciam o movimento de íons e elétrons da região F
ionosférica e estes, por sua vez, influenciam a velocidade dos ventos neutros
termosféricos, perfazendo assim o sistema termosfera-ionosfera. Neste sistema então, as
velocidades resultantes têm assimetrias com relação ao globo terrestre, pois, a
configuração dos campos elétricos depende do campo geomagnético e o efeito da força
de Coriolis depende da geometria terrestre.
A eletrodinâmica da ionosfera só começou a ser estudada mais a fundo no século
passado com Schuster (1908 apud Baker e Martyn, 1953), quando desenvolveu
quantitativamente a teoria do dínamo, baseado nas idéias de Stewart (1882 apud Baker
e Martyn, 1953). Mais tarde, a descoberta efetiva da ionosfera por Appleton e por Breit
e Tuve, na década de 20 (séc. XX), propiciou a aplicação da teoria do dínamo. Nomes
como Chapman, Pedersen e Cowling foram construindo a base de todo conhecimento de
eletrodinâmica da ionosfera. Atualmente, já há um grande conjunto de informações a
respeito deste assunto, contudo ainda há muito por se conhecer e fazer, já que existem
também interações da ionosfera com a magnetosfera, formando o chamado sistema
termosfera-ionosfera-magnetosfera, bem como fenômenos que sugerem também
relações entre a ionosfera com a baixa atmosfera (troposfera,estratosfera e mesosfera),
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como evidenciam fenômenos tais como os denominados sprites e blue jets, por
exemplo.
1.3 Campos elétricos ionosféricos
Campos elétricos de dínamo se estabelecem com o deslocamento do plasma
ionosférico através das linhas do campo geomagnético e fazem os constituintes do
plasma ionosférico deslocarem-se na direção (E × B) − onde E e B representam campo
elétrico e geomagnético, respectivamente. Tal deslocamento é denominado deriva
eletromagnética do plasma ionosférico. Este tipo de movimentação tem muita influência
sobre as características da ionosfera de latitudes magnéticas baixas e equatoriais como,
por exemplo, na formação da anomalia equatorial, na ocorrência da camada F3 e na
geração de instabilidades e irregularidades de plasma.
As instabilidades de plasma podem causar o aparecimento de irregularidades de
densidade, as quais podem interferir nas ondas de rádio transionosféricas, utilizadas em
telecomunicações via satélite ou pelos sistemas de posicionamento global (Global
Positioning System - GPS), muito usados atualmente por sistemas de navegação aérea,
terrestre e marítmo-fluvial.
Portanto, é importante estudar o comportamento dos campos elétricos da região-
F da ionosfera para, através do que se convencionou denominar “clima espacial”,
podermos fazer previsões de ocorrência de irregularidades tais como as “bolhas
ionosféricas” e o “espalhamento da região-F” que são eventos noturnos que se
concentram sobre a região equatorial magnética. Durante a ocorrência desses
fenômenos, pode acontecer, por exemplo, perda do sinal de rádio havendo conseqüente
interrupção de comunicação.
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Utilizando-se diferentes modos de operação nas ionossondas, temos ionogramas
e medidas de deriva. Esses instrumentos transmitem pulsos eletromagnéticos que
varrem um conjunto de freqüências de 1 a 20MHz e, ao final de cada sondagem, são
gerados os ionogramas. Ionogramas são diagramas que mostram as alturas de reflexão
dos ecos dos pulsos eletromagnéticos em função de sua freqüência, apresentando assim
padrões característicos de curvas chamadas traços. Os pulsos transmitidos são refletidos
em regiões onde a freqüência do plasma ionosférico é igual à freqüência do pulso,
então, é obtido o perfil vertical de densidade eletrônica do plasma ionosférico. As
alturas de reflexão apresentadas nos ionogramas são calculadas com base no intervalo
de tempo decorrido entre a transmissão do pulso e a recepção do eco, ou seja, h’ =
c∆t/2, onde c representa a velocidade de propagação (igual à velocidade da luz). Como
os pulsos se propagam através da ionosfera em velocidades menores que em um meio
como o vácuo ou o ar (meios com índice de refração igual a 1), à medida que os pulsos
avançam até a região de reflexão dentro do plasma, sua velocidade de grupo tende a
zero, ou seja sofre um retardo. Por conseqüência as alturas calculadas segundo a
expressão acima são aparentes e, por isso, são denominadas alturas virtuais. É
necessário, então, efetuar uma correção para obtermos as alturas reais.
As isolinhas de densidade e parâmetros tais como a freqüência crítica e a altura
do pico de densidade da região F (foF2 e hmF2, respectivamente) são fornecidas pelos
ionogramas. Dos ionogramas, ainda, calculamos velocidades de deriva vertical com o
método de ∆hF/∆t, onde hF representa a altura real de uma dada freqüência de
sondagem – comumente 4MHz, porém, um novo método está sendo proposto neste
trabalho, de se fazer uso de uma freqüência que corresponde a 80% de foF2. O modo de
deriva gera medidas de velocidade através do método de interferometria Doppler.
O SUPIM utiliza parâmetros de entrada tais como deriva eletromagnética,
ventos meridionais – obtidos com o Horizontal Wind Model 90 (HWM90) (Hedin et
alii, 1991) – fluxo solar (F10.7), índice magnético Ap e calcula densidades iônicas (O+,
He+, N2+, O2
+, NO+) e temperaturas (da atmosfera neutra, Tn, de ions, Ti, e elétrons, Te)
todas ao longo de linhas de campo geomagnético ou tubos de fluxo geomagnético.
Jefferson
1.4. Material e Instrumentação
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Um grande conjunto de medidas tem sido coletado de forma sistemática e
uniforme por intermédio de ionossondas pertencentes à Divisão de Aeronomia (DAE)
do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). As ionossondas digitais vêm
operando no modo de ionograma regularmente desde meados de 1994 em São Luís e
Fortaleza e, desde 1990 em Cachoeira Paulista. Quando necessário, pode-se contar
também, com um extenso banco de dados de ionogramas que foram registrados por
ionossondas analógicas entre 1975 e 1993 em Fortaleza, entre 1973 e 1990 em
Cachoeira Paulista, entre 1990 e 1994 em São Luís.
Os dados obtidos com radar de espalhamento incoerente e com a Digissonda do
Rádio Observatório de Jicamarca (ROJ) estão sendo utilizados, graças à disponibilidade
do banco de dados do Coupling Energetics and Dynamics of Atmospheric Regions
(CEDAR) divisão do National Center for Atmospheric Research (NCAR) e das
colaborações com o Center for Atmospheric Research da University of Massachusetts
Lowell, ambos dos EUA.
1.5 Objetivos
Neste trabalho de doutorado, propõe-se estudar as derivas do plasma ionosférico
com dados de velocidade e ionograma registrados por ionossondas digitais
(Digissondas) localizadas em São Luis (2,6°S; 46°W), no Brasil e Jicamarca (12°S;
77°W), no Peru. Bem como dados de velocidade registrados pelo radar de espalhamento
incoerente do Rádio Observatório de Jicamarca. Utilizar-se-ão, também, dados
calculados pelo Sheffield University Plasmasphere Ionosphere Model (SUPIM) –
modelo computacional desenvolvido na Universidade de Sheffield, Inglaterra (Bailey et
alii, 1997). Propõe-se, também, estudar e caracterizar os ventos termosféricos sobre
essas localidades, bem como investigar suas influências sobre algumas características
do meio ionosférico.
As ionossondas digitais (bem como as analógicas) utilizam o princípio de
reflexão crítica da camada de plasma. Portanto, as suas sondagens estendem-se da base
da região F até a região de seu pico de densidade eletrônica. O radar pode sondar
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regiões abaixo e acima do pico de densidade eletrônica daquela região. As medidas de
velocidade de deriva ionosférica efetuadas pelas ionossondas digitais trazem as
contribuições das reações químicas de produção e perda de pares íon-elétron que
ocorrem na base da região-F e de processos de difusão do plasma ionosférico ao longo
das linhas de campo geomagnético. Logo, não representam somente a velocidade de
deriva eletromagnética E × B – que para nossos estudos é importante, dado que se
deseja aferir o comportamento dos campos elétricos da região F ionosférica – e, por isso
são denominadas medidas de velocidade aparente (Bittencourt e Abdu, 1981; Scali et
alii, 1995a; Bertoni, 1998). Já o radar de espalhamento incoerente, devido ao seu
princípio de funcionamento, mede a velocidade de deriva eletromagnética.
Existem poucas medidas de deriva eletromagnética E × B efetuadas por radares
de espalhamento incoerente, pois são instrumentos de alto custo de instalação, operação
e manutenção relativamente às ionossondas digitais que têm sido operadas em várias
estações ao redor do globo. Poucas também são as medidas disponíveis de velocidade
de ventos termosféricos, as quais são efetuadas por interferômetros Fabry-Perot durante
as noites não nubladas.
Visando criar uma alternativa de solução para a situação apontada acima,
desenvolveu-se uma metodologia para obter valores de velocidade do que se denominou
como a deriva efetiva do plasma ionosférico e de ventos termosféricos. Utilizaram-se
em parte as medidas de velocidade de deriva e ionogramas gerados pelas ionossondas
digitais e pelo radar de espalhamento incoerente de Jicamarca e em parte os resultados
dos cálculos do modelo computacional SUPIM.
O procedimento adotado com relação à parte de modelagem deste trabalho
consistiu em utilizar diretamente como dados de entrada, as medidas de deriva vertical
efetuadas pelo radar de espalhamento incoerente ou pelas Digissondas e valores de
velocidade de vento meridional modificados em relação aos fornecidos pelo HWM90
com o intuito de obter os parâmetros isolinhas de densidade, foF2 e hmF2 calculados a
partir dos arquivos de saída do SUPIM e compará-los com os mesmos parâmetros
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observados pelas Digissondas e também comparar a resposta de todo o perfil vertical
utilizando as isolinhas.
O objetivo principal de se usar dados registrados pelo radar e pela Digissonda do
Rádio Observatório de Jicamarca é comparar os valores dos arquivos de saída do
modelo utilizando como dados de entrada velocidades de deriva vertical medidas por
ambos os instrumentos e, assim, validar e conseqüentemente estender os resultados para
nossas estações de observação.
Este trabalho foi dividido em seis capítulos. No Capítulo 2 apresentam-se
informações a respeito de ionogramas e medidas de deriva. Além disso, são descritas as
diferentes técnicas de obtenção de velocidade vertical de deriva a partir de dados
registrados pelas Digissondas. Foi também incluída uma sub-seção onde é apresentada
uma breve descrição a respeito da técnica de medição de velocidade de deriva utilizada
pelo radar de espalhamento incoerente de Jicamarca.
No Capítulo 3 tratou-se a respeito do modelo SUPIM, apresentando as equações
por ele utilizadas, bem como o procedimento adotado com o modelo neste trabalho.
No Capítulo 4 apresentam-se comparações de resultados obtidos com as
diferentes técnicas de cálculo de velocidade vertical de deriva a partir de dados
registrados pela Digissonda e medidas de velocidade de deriva eletromagnética
efetuadas pelo radar de espalhamento incoerente.
No Capítulo 5 são apresentadas comparações entre resultados de modelagem e
de observações.
No Capítulo 6 desenvolvem-se algumas discussões e apresentam-se as
conclusões finais.
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CAPÍTULO 2
MEDIDAS DE DERIVA E IONOGRAMA: PRINCÍPIOS FÍSICOS E
PROCESSAMENTO
2.1 Introdução
Conforme já foi dito, as Digissondas funcionam em 4 modos diferentes:
ionograma, freqüência fixa, deriva e sondagem oblíqua. Como em todas as ionossondas,
utiliza-se o princípio de reflexão total das ondas. Além disso, ionossondas digitais têm
capacidade de medir a fase, a amplitude, o desvio Doppler e o ângulo de chegada do eco
em função da freqüência do sinal transmitido.
Neste trabalho, foram usados os modos de ionograma e deriva. Far-se-á, a
seguir, uma descrição do princípio físico utilizado pelo instrumento para efetuar as
sondagens de deriva e ionograma, bem como da questão relativa ao método utilizado
para obter a velocidade de deriva dos íons.
2.2 Sobre Ionogramas e Derivas
2.2.1. Ionogramas
No modo de ionograma, o instrumento faz uma varredura num intervalo de
freqüências comumente entre 1 e 20MHz e registra as curvas de altura virtual de
reflexão em função da freqüência transmitida – os denominados ionogramas. Essa faixa
de freqüências deve ser variada conforme a estação do ano, a localidade em que se
encontra o instrumento e o ciclo solar. Cada sondagem leva em média um intervalo de
tempo em torno de 3 minutos – dependendo dos parâmetros estabelecidos para controle
do instrumento.
No modo de deriva, apenas alguns valores de freqüência são sondados – na
Digissonda DGS256, usualmente, dois valores de freqüência e quatro de altura; na
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Digissonda DPS-4, quatro valores de freqüência e, por exemplo, dezesseis valores de
altura, variando em passos de 5km, ou quanto se desejar. Cada sondagem leva,
conforme os parâmetros de sondagem escolhidos, algo em torno de 3 minutos.
A principal diferença entre esses dois modos, portanto, é o tempo de integração
para cada freqüência sondada. Seria inviável utilizar o mesmo tempo de integração da
deriva, para o ionograma, pois, para haver um bom número de fontes refletoras, o tempo
de integração de deriva não pode ser muito pequeno.
Os ionogramas, como já foi mencionado anteriormente, representam as alturas
aparentes ou virtuais de reflexão dos ecos dos pulsos eletromagnéticos em função de
sua freqüência. É, portanto, necessário efetuar alguns cálculos para obtermos a altura
real dos perfis verticais de densidade eletrônica. Existem alguns algoritmos para efetuar
esses cálculos. Por exemplo, há o POLAN (Titheridge, 1985), o qual tem sido utilizado
para obter os perfis de densidade a partir de ionogramas registrados tanto pelas antigas
ionossondas modelo C4 como por ionossondas digitais mais modernas (Dynasonde, por
exemplo).
As Digissondas possuem o Automatic Real-Time Ionogram Scaler with True-
height (ARTIST) (Reinisch e Xueqin, 1983; Xueqin e Reinisch, 1996; Reinisch e
Xueqin, 1996), o qual é uma coleção de programas que produzem parâmetros reduzidos
de ionograma a partir da potência de sinal versus dados de altura e freqüência do
ionograma - parâmetros reduzidos de freqüência (foF2, foF1, foE, foEs etc.); de altura
(hmF2, h'F, h'E, h'Es etc.); fatores de propagação oblíqua (MUF, M3000), bem como a
curva h'(f) de altura virtual versus freqüência (Reinisch, 1986).
Atualmente, há um software desenvolvido pela equipe do Centro de Pesquisas
Atmosféricas da Universidade de Massachusetts Lowell, EUA, onde são produzidas as
Digissondas: o SAO-Explorer. Este programa, construído em Java, permite fazer a
revisão da redução automática dos ionogramas, feita pelo ARTIST, gerando arquivos
contendo os parâmetros acima mencionados, já com as devidas correções. Na figura
seguinte, é mostrado um exemplo de contorno de isolinhas.
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FIGURA 2.1 – No painel superior há os contornos de isolinhas de densidade eletrônica
ao longo de um dia inteiro de medidas realizadas durante a Campanha
COPEX, na localidade de Cachimbo. No painel inferior, são
apresentados os parâmetros foF2, hmF2, h’F, entre outros.
Na FIGURA 2.2, abaixo, é mostrado um ionograma escalado com o SAO-
Explorer.
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FIGURA 2.2 – Ionograma escalado e perfil vertical de densidade eletrônica calculado
pelo programa NHPC que faz parte do SAO-Explorer.
2.2.2. Medidas de Deriva
Podemos obter medidas de velocidade vertical de deriva ionosférica, por meio
de Digissondas, das seguintes maneiras: 1) diretamente, usando o modo de deriva das
Digissondas; 2) indiretamente, a partir de ionogramas.
Na primeira, atualmente há duas possibilidades, a saber, através de cálculos
efetuados pelo programa denominado Digisonde Drift Analysis Velocity (DDAV)
(Dozois, 1983; Bullett, 1984; Scali et alii, 1993 e 1995a); ou pelo programa Velocidade
Vertical (Vertical) desenvolvido como parte do presente trabalho de doutorado. O
DDAV fornece as três componentes da velocidade de deriva ionosférica, isto é, vertical,
zonal e meridional. E o Vertical calcula a velocidade vertical na linha de visada. Mais à
frente será feita sua descrição.
25
Na segunda maneira, efetua-se a diferença entre duas medidas sucessivas de
altura virtual mínima da camada F (h’F) dividida pela diferença entre seus respectivos
horários, isto é,
tFhVz ∆∆= /' (2.0)
Tal técnica somente é válida, de acordo com Bittencourt e Abdu (1981), em períodos
após o pôr-do-sol quando a base da região-F está acima de 300km. Desta segunda
técnica – dada a facilidade atual de obter valores de altura real – como parte do trabalho
de doutorado, derivou-se o cálculo de velocidade vertical com o uso de alturas reais
referentes a determinadas freqüências de sondagem, ou seja,
( ) /Vz hF f t= ∆ ∆ (2.1)
onde f é uma freqüência fixa. Com o intuito de estudar o movimento vertical da camada
F em alturas próximas ao seu pico de densidade, foi proposta ainda como parte do
trabalho de doutorado mais uma nova maneira que se utiliza da altura real referente a
freqüências com valores de 80% da freqüência crítica da camada F (foF2), isto é,
0.80 /Vz hF t= ∆ ∆ (2.2)
Medidas de velocidade vertical obtidas diretamente no modo de deriva oferecem
uma certa vantagem relativamente às medidas geradas pelas técnicas das Equações
(2.0), (2.1) e (2.2), a partir de ionogramas sucessivos (por exemplo, a cada 15 min). É
muito mais rápido calcular velocidades a partir de medidas de desvio Doppler, pois não
é necessário o tempo de revisão e redução de ionogramas.
Para falar do processo de obtenção das medidas de deriva ionosférica, é
interessante dividi-lo em duas partes: 1) considerar a parte referente aos processos
físicos concernentes à reflexão dos pulsos em regiões do plasma ionosférico e, com isso,
como o índice de refração pode influenciar o deslocamento Doppler da freqüência de
um pulso eletromagnético, utilizado na técnica de medição de deriva; 2) do
26
processamento que o instrumento dá aos ecos das fontes refletoras em termos de fase e
ângulo de chegada, para o cálculo e obtenção dos vetores de velocidade de deriva.
2.3 Processos Físicos
2.3.1 Propagação de Ondas em um Meio Magneto-Ionizado: Equação de Appleton
A descrição dos processos físicos envolvendo a propagação de ondas em meios
ionizados é a conhecida teoria magneto-iônica desenvolvida por Appleton (1927).
Posteriormente, foi adicionado o termo de polarização de Lorentz por Hartree (1931) e,
desde então, a equação de índice de refração complexo em meio magneto-ionizado é
conhecida por equação de Appleton-Hartree. Vários autores tratam do assunto
(Ratcliffe, 1962; Budden, 1961; Kelso, 1964; Davies, 1966) e, aqui, basicamente, foi
seguido o tratamento dado por Davies (1966 e 1990) e Kelso (1964).
Devido à sua notação mais conveniente, o tratamento dado por Appleton (1932)
com toda a sua teoria, foi adotado como referência por diversos outros autores e acabou
se firmando como o mais comumente usado. O termo de polarização de Lorentz,
introduzido por Hartree, entretanto, mostrou-se dispensável, pois Seddon (1953) em um
experimento com foguetes, demonstrou que havia discordância entre os dados
experimentais e aqueles calculados com o referido termo incluso, conquanto o
experimento tenha sido feito com freqüência de 4MHz, na região E. Entretanto, esse
detalhe do assunto não será tratado aqui neste trabalho. Kelso (1964) dedica uma seção
à discussão desse termo.
A teoria magnetoiônica para plasmas frios prevê que ondas eletromagnéticas se
propagando em um meio ionizado em presença de campo magnético e colisões entre
elétrons e neutras, possuem somente dois possíveis modos de propagação, conhecidos
como componentes ordinária e extraordinária. A relação de dispersão ou a equação para
o índice de refração do meio com as características acima a que chegou Appleton é a
seguinte:
27
( ) ( )
2
2 4
2 2
11
2 1 4 1T T
L
XnY YiZX iZ X iZ Y
= −
− − ±− − − − +
(2.1)
onde
X Nem
=2
02ε ω
(2.2)
Y eBmT
T=ω
(2.3)
Y eBmL
L=ω
(2.4)
Z =νω
(2.5)
N representa a densidade eletrônica; e e m respectivamente, carga e massa eletrônica; ω
é a freqüência angular da onda; ε0, permissividade elétrica do vácuo; ν, a freqüência de
colisão entre elétrons e partículas neutras. YT e YL são respectivamente, as componentes
transversal e longitudinal da girofreqüência de elétrons, divididas pela freqüência
angular da onda.
Essas ondas características aparecem nos ionogramas registrados pelas
ionossondas, na forma dos chamados traços ordinário (O) e extraordinário (X). Por
causa dessa propriedade do meio ionosférico provocar essas polarizações
características, ele é considerado um meio birrefringente.
Em regiões nas quais o campo magnético terrestre é muito inclinado, tal como
nas regiões aurorais, é possível aparecer um terceiro traço com mesma polarização do
traço ordinário, este é o denominado traço Z. Ratcliffe (1962) desenvolve uma
discussão a respeito das origens dessa polarização.
28
Na Equação 2.1, percebe-se que o índice de refração é complexo e, por isso,
pode ser expresso na notação abaixo:
n iµ χ= − (2.6)
onde µ é a parte real e χ , a parte imaginária. A parte imaginária do índice de refração é
responsável pelo termo de absorção do meio. Para ver esse efeito, consideremos uma
onda plana que se propaga na direção vertical para cima tal como definida por Davies
(1966), representada por:
E E i t kz= −0 exp ( )ω (2.7)
onde t representa tempo; z, espaço percorrido (positivo na direção vertical para cima) e
k é o número de onda. Lembrando que velocidade de fase é dada por:
vkω
= ; (2.8)
e a definição de índice de refração,
n cv
= ; (2.9)
substituindo-se k na Equação 2.7, temos
E Ec
z i tc
z= −
−
0 exp expχ ω ω µ ω (2.10)
se χ for constante e não nulo, a amplitude da onda diminuirá exponencialmente à
medida que se propaga. O termo (cωχ− ), segundo Davies (1966), é uma medida do
decaimento de amplitude por unidade de distância e é chamado de coeficiente de
absorção.
29
As colisões podem ser desprezadas para o caso de freqüências maiores que
1MHz em alturas da camada E e F da ionosfera e, nesse caso, a equação para o índice
de refração fica como se segue:
( )( ) ( )
2
22 4 2
2 11
2 1 4 1T T L
X Xn
X Y Y X Y
−= −
− − ± + − (2.11)
Para o caso em que a incidência é vertical e na região do equador geomagnético
o termo YL2 torna-se nulo e então temos:
( )( )
( )( )
2
2 4
22 2
2 11
2 1
2 11
2 1
T T
T T
X Xn
X Y Y
X Xn
X Y Y
−= −
− − ±
−= −
− − ±
Então dois valores de n2 são possíveis:
( )( )
22
2 11
2 1 2 T
X Xn
X Y−
= −− −
ou
2 1n X= −
Se considerarmos ainda uma situação em que não haja campo magnético (ou que
possa ser desprezado), nem colisões, a expressão para o índice de refração torna-se
igual à expressão acima. Nesse caso, o índice de refração é real e muitos autores o
representam pela letra µ. Assim, temos:
2 1 Xµ = −
22 1
−=
ff Nµ
30
22 1
fNκµ −= (2.12)
onde fN representa a freqüência de plasma; f, a freqüência da onda incidente; e κ é, neste
caso, uma constante expressa por:
2
204
em
κπ ε
= (2.13)
Inicialmente 1=µ já que abaixo da ionosfera, a densidade eletrônica, N, é nula e, por
conseqüência X = 0 . A partir do ponto que X > 0, devido à presença de elétrons livres,
o índice de refração tende a ficar cada vez menor, até anular-se e, assim, o meio provoca
a reflexão da onda incidente, logo, nessa situação a freqüência da onda incidente
perpendicularmente à camada ionosférica, é igual à freqüência do plasma da região de
incidência, sendo possível determinar de forma aproximada, a densidade eletrônica do
plasma da região na qual a onda foi refletida. Dependendo das unidades utilizadas,
temos:
5,80
2fN ≅ (f em Hz e N em m-3) (2.14)
ou
N f≅ × ×1 24 104 2, (f em MHz e N em cm-3) (2.15)
No caso em que se considera a presença de campo magnético com colisões, ou
campo magnético sem colisões, as equações são bem mais complicadas e maiores
detalhes podem ser encontrados em Ratcliffe (1962) e Kelso (1964).
2.3.2. Velocidade de Fase
A velocidade de fase de uma onda pode ser expressa em conseqüência da
Equação 2.12 como se segue abaixo:
31
( )v c c
X= =
−µ 1 (2.16)
e, dessa maneira, percebe-se que é maior do que a velocidade da luz no vácuo, mas,
segundo Davies(1966), isso não é uma violação da Teoria da Relatividade, apenas
significa que o comprimento de onda é maior no meio do que no vácuo. A velocidade
de fase pode ser representada também da seguinte forma:
v f= λ (2.17)
onde λ é o comprimento de onda e portanto,
f v=λ
(2.18)
Tendo f o mesmo valor tanto para o vácuo como para um meio com índice de refração
µ, temos
v cλ λ=
0
(2.19)
onde λ0 é o comprimento de onda no vácuo.
2.3.3. Velocidade de Grupo
É interessante definir também, o conceito de velocidade de grupo, já que, nas
sondagens ionosféricas são utilizados pulsos eletromagnéticos. O pulso é uma onda
modulada em amplitude – um grupo de componentes com comprimento de onda
semelhante – e que se propaga a uma velocidade denominada como velocidade de
grupo. Somente em meios nos quais não há distorção do pulso, tal como ocorre na
ionosfera, é possível utilizar esse conceito de velocidade de grupo. Kelso (1964) traz
uma discussão a respeito de algumas situações em que a velocidade de grupo pode ser
maior do que a velocidade da luz e Stratton (1941) detalha a discussão sobre meios
muito dispersivos e a distorção do pulso.
32
Assim, a velocidade de grupo é definida por:
v ddkg =ω (2.20)
A velocidade de grupo assim definida é a componente na direção da propagação de fase
– mais adiante será discutido o caminho de fase e de raio e, então ficará mais claro o
significado físico disso.
2.3.4. Índice de Refração de Grupo
É conveniente também estabelecer o índice de refração de grupo:
′ =µ cvg
(2.21)
logo,
( )′ = =µω ω
c dkd
dd
ck (2.22)
substituindo as Equações 2.8 e 2.9 em 2.22, segue
( )′ =µω
µωdd
(2.23)
então, o índice de refração de grupo é expresso por:
′ = +µ µ ω µω
dd
(2.24)
ou substituindo-se ω por 2πf , temos:
′ = +µ µ µf ddf
(2.25)
33
Da Equação 2.12 e 2.22, substituindo-se novamente ω por 2πf , temos:
( ) ( )′ = = −
= −
⇒µ µd
dff d
dfff
f ddf
f fNN1
2
22 2
12
12
( )′ = − = −
=
−−
µµ
f f f ffN
N2 22
2
21
2
1
1 1
Logo,
µµ′ = 1 (2.26)
relação válida para a situação na qual não há a presença de campo magnético e
desprezam-se as colisões entre elétrons e neutras – condição equivalente a 2 20ω ω>>
(onde 0 /eB mω = representa a girofreqüência de plasma) na Equação 2.12 e rara de ser
encontrada na ionosfera terrestre, segundo Ratcliffe (1962). Para maiores detalhes a
respeito do índice de refração de grupo, considerando presença de campo magnético e
colisões, ver os trabalhos de Ratcliffe (1962) e Budden (1961).
2.3.5 Caminho de Fase e de Feixe
Continuar-se-á falando de propagação de ondas, porém com um outro enfoque,
utilizando os conceitos de caminho de fase e de raio (fluxo de energia) de uma onda,
conforme se segue.
Consideremos um meio anisotrópico. Nesse tipo de meio, a direção em que a
fase da onda se propaga não é a mesma em que a do fluxo de energia da onda se
propaga – diz-se também que a direção de fase não é a mesma que a de raio. Seguindo o
tratamento de Davies (1966) define-se caminho de fase através da expressão:
P dsT
R
= ∫ µ αcos (2.27)
34
onde µ representa o índice de refração do meio e α, o ângulo entre o vetor de onda,
perpendicular à superfície de fase constante, representado por np e o vetor de direção do
raio, nr; ds é um elemento de espaço, na direção e sentido de nr. O autor salienta, ainda,
que esses não são caminhos no espaço mas, sim, distâncias percorridas pela onda (ou
pelo grupo) à velocidade que teria no vácuo – já que o índice de refração é aquele
definido para ausência de colisões. Na FIGURA 2.3, há a representação esquemática do
caminho de raio de um grupo que se propaga entre o transmissor e o receptor, onde se
vê np e nr – o vetor normal de onda (na direção do caminho de fase) e o vetor de direção
de raio, respectivamente.
FIGURA 2.3 – Representação esquemática do caminho de fase e de raio em um meio
anisotrópico percorrido por um sinal entre o transmissor e o receptor.
FONTE: Davies (1966).
Davies define também o que chama de comprimento angular do caminho de
fase:
K P=2
0
πλ
(2.28)
O desvio Doppler da freqüência de um sinal transmitido pode ocorrer em virtude
de, basicamente, duas causas: o movimento da região do plasma em que é refletido esse
sinal e a variação do índice de refração ao longo do caminho que ele segue. O
Caminho de Raio
ds
R
T
αnr
np
35
movimento da região de reflexão, por sua vez, pode representar o movimento real da
camada – e isso significa deslocamento devido à deriva E × B, ou o transporte de
ionização da região onde é produzida, por exemplo, para outras regiões. Já o movimento
aparente, causado pela variação da ionização devida a reações químicas de produção e
perda influencia a variação do índice de refração do meio ao longo do caminho seguido
pela onda. Assim, quando o caminho angular de fase varia – seja por quaisquer uma das
causas acima – ocorre uma diferença entre as freqüências angulares da onda emitida e
da recebida, representada por ∆ω. Se K aumenta, então a freqüência recebida diminui,
porque um número maior de radianos são necessários no caminho entre o transmissor e
o receptor e ∆ω é expressa por:
0
2dK dPdt dt
πωλ
∆ = − = − (2.29)
0
1 dP f dPfdt c dtλ
∆ = − = − (2.30)
O deslocamento Doppler em freqüência do pulso transmitido é expresso por:
∆f fc
dPdt
= − (2.31)
No caso de ecos vindos da ionosfera, multiplica-se ainda, por um fator 2 e, então, o
desvio Doppler é dado pela seguinte relação:
dtdP
cff 2
−=∆ (2.32)
Segundo Kelso (1964), os pulsos emitidos pelas ionossondas se propagam com a
velocidade de grupo, enquanto os planos com fase constante, dentro dos pulsos, se
propagam com a velocidade de fase. De acordo com Breit (1929), é muito pequeno o
erro introduzido se supormos que os pulsos consistem de um número de ciclos de uma
única freqüência. Então, não é utilizado o índice de refração de grupo quando o
interesse é a fase de chegada do eco. Porém, quando se deseja calcular a altura real da
36
região de reflexão do pulso e, para isso, é utilizado o tempo total de percurso (ida e
volta), então é necessário usar o índice de refração de grupo, tal como, por exemplo, é
utilizado na prova do Teorema de Breit e Tuve (e.g. Kelso, 1964; Davies, 1966).
Uma outra possível derivação para o desvio Doppler do pulso emitido é feita da
seguinte maneira. Sejam f, a freqüência do pulso emitido, f’, a freqüência do pulso na
região de reflexão e v, a velocidade de propagação. De acordo com a lei de Doppler,
temos:
2
v1
v1
cf f
c
± ′ = −
(2.33)
Para v << c, a Equação 2.33 pode ser rescrita como se segue:
v1f fc
′ ≅ ± (2.34)
A freqüência recebida depois da reflexão, ou seja, a freqüência do eco recebido, f’’,
será:
2v1f fc
′′ ≅ ± (2.35)
logo,
2v v v1 2 1 2f f fc c c
′′ ≅ ± + ≅ ±
para v << c. Então o desvio Doppler é expresso por:
2 vff f fc
′′∆ = − = ± (2.36)
37
2.3.6. Velocidade na Linha de Visada
A velocidade v da Equação (2.36) é também denominada como velocidade na
linha de visada (Vlos) e é calculada segundo a equação abaixo:
2loscV ff
= − ∆ (2.37)
Podemos, pois, estabelecer a relação entre Vlos e o caminho de fase do pulso.
Das Equações (2.32) e (2.36) temos:
22losc f dPVf c dt = − ⋅ −
(2.38)
Portanto, a velocidade na linha de visada é numericamente igual à derivada temporal do
caminho de fase:
losdPVdt
= (2.39)
2.3.7. Relação entre Velocidade na Linha de Visada e Índice de Refração ao Longo
do Caminho
Dessa equação, chegamos a outra importante expressão:
cos R
losT
dPV dsdt t
µ α∂= =
∂ ∫ (2.40)
e que para um meio isotrópico reduz-se a:
R
losT
dPV dsdt t
µ∂= =
∂ ∫ (2.41)
que acordo com Bennett (1967) pode ser expresso por:
38
R
losT
dPV dsdt t
µ∂= =
∂∫ (2.42)
Foram apresentados, até agora, alguns tópicos a respeito da Teoria
Magnetoiônica que descrevem os processos físicos envolvidos na sondagem por meio
de ondas eletromagnéticas (ou radiossondagem), bem como definidas algumas relações
que serão importantes mais à frente. Tratar-se-á, na próxima seção, do processamento
aplicado aos dados de deriva.
2.4 Como são Obtidos os Dados de Deriva
Durante alguns anos, foi desenvolvido pela equipe da UMLCAR um método
para extrair informação a respeito da localização das fontes refletoras e da velocidade
de deriva do plasma ionosférico (Dozois, 1983; Bullett, 1994, Scali et alii, 1993
e1995a). Esse método foi denominado como Digisonde Drift Analysis (DDA), já
mencionado anteriormente no início do capítulo. Posteriormente foi desenvolvido um
outro método mais aprimorado chamado de Generalized Digisonde Drift Analysis
(GDDA).
No DDA, são calculados os vetores velocidade, considerando-se a uniformidade
espacial da velocidade de deriva – que é uma suposição comum usada nesse tipo de
cálculos.
A localização de fontes refletoras é importante tanto para os ionogramas como
para os dados de deriva. Dozois (1983) desenvolveu o algoritmo através do qual essa
localização é efetuada. Posteriormente, Bullett (1994) e Scali et alii (1993 e 1995a)
aperfeiçoaram o código e chegou-se ao DDA.
Descrições sobre o DDA podem ser encontradas em Scali et alii (1993 e 1995a)
e Bertoni (1998). Visando facilitar o acesso à informação contida nesses documentos,
far-se-á uma síntese a respeito do método utilizado para localização das fontes refletoras
e dos vetores de velocidade.
39
2.4.1 Sobre o Método dos Cálculos pelo DDA
O DDA é constituído, basicamente, por dois programas: DDAS e DDAV. O
primeiro calcula os vetores de localização das fontes refletoras e o segundo, os vetores
de velocidade das mesmas.
Na FIGURA 2.4 temos um esquema da situação em que ocorre a recepção de
um eco por duas das quatro antenas utilizadas para as sondagens.
FIGURA 2.4 - Esquema representativo da situação de duas antenas receptoras, durante
a chegada de um eco.
FONTE: Bullett (1994, p. 104).
Sejam rri , rrj e aφ , respectivamente os vetores posição de duas antenas i e j e a
fase do eco recebido em cada uma delas. Temos:
aa rk rr⋅=φ (2.43)
onde o índice a representa o número da antena (1, 2, 3 ou 4, por exemplo) e rra , o vetor
posição de antena em relação à antena 1 (Scali et alii, 1995a e b). O vetor rk , pode ser
calculado a partir da expressão (2.9):
40
( ) ijjijiij rkrrk rrrrr∆⋅=−⋅=−=∆ φφφ (2.49)
Para um conjunto de 4 antenas, temos 6 termos de diferença de fase e de vetores
de posição relativa. Na FIGURA 2.4, é mostrado um esquema do arranjo de antenas
receptoras. No meio do triângulo eqüilátero fica a antena 1 e as outras são dispostas no
sentido anti-horário em cada um de seus vértices distantes 64m uns dos outros. Nossos
sistemas operam com esse mesmo tipo de arranjo de antenas e, portanto, há 6 termos de
diferença de fase e de vetores de posição relativa para cada sinal recebido.
FIGURA 2.4 – Arranjo de antenas receptoras da DPS-4 na localidade Jicamarca.
FONTE: Galkin and Paznukhov (2002, p.2).
Aplica-se, então, o método dos mínimos quadrados para estimar rk a partir da
Equação (2.49) (Scali et al., 1995b). Seja M o número de termos de diferença de fase e
de pares de antenas, logo:
( ) ( )[ ] ⇒−−−⋅−= ∑∑+==
M
jjjjjjjjj
M
jrrk
M 1
2
1
2 1 φφε rrr
1
2
3
4
Norte Mag. linha 3-1
Desv. = -30°
41
( )2,,,,,
2 1jjjjjjzjjjyjjjx
M
jjjzkykxk
Mφε ∆−∆−∆−∆−= ∑ (2.50)
Efetuando as derivadas de ε2 com relação a k kx y e , igualando-as a zero e,
além disso, considerando que o conjunto de antenas está no plano x-y – significando que
o termo ∆z jj j, é nulo – obtemos a seguinte equação matricial:
[ ][ ] *A K φ = − (2.51)
onde
[ ]
∆∑∆∆∑∆∆∑∆∑= 2
2
yyxyxxA ; (2.52)
[ ]
=
y
xkk
K ; (2.53)
[ ]
∆∆∑∆∆∑
=yx
φφ
φ* (2.54)
Resolvendo esse conjunto de matrizes para k kx y e temos:
( )D
yyxxykx∆∆∑∆∆∑−∆∆∑∆∑−
=φφ2
; (2.55)
( )D
xyxyxky∆∆∑∆∆∑−∆∆∑∆∑−
=φφ2
; (2.56)
( )222 yxyxD ∆∆∑−∆∑−∆∑= (2.57)
A componente kz , por sua vez é obtida através do módulo de rk e, também de k kx y e ,
como segue:
42
21222
−−= yxz kkkkr
(2.58)
A direção de kr
é normal à frente de onda e seu sentido o da propagação da onda. A
direção aparente da fonte ou vetor na linha de visada é a do vetor unitário ˆra que possui
mesma direção e sentido oposto ao do vetor kr
, ou seja:
ˆrkak
= −r
r (2.59)
Este vetor também é descrito pelo ângulo zenital, θ e o ângulo azimutal, ψ, conforme as
expressões abaixo:
x
yzkk
tgkk
== ψθ ; cos r (2.60)
Tendo-se calculado kr
, calcula-se o ε2 novamente. Grandes valores de ε2
evidenciam um ajuste ruim que pode ser atribuído, por exemplo, ao fato de que as
antenas não são eletricamente idênticas ou que a relação sinal/ruído não é
suficientemente boa. Então, essa fonte é descartada.
Depois que as fontes são localizadas, elas são utilizadas para a determinação das
componentes de velocidade de deriva ionosférica.
Seja Vs a velocidade da fonte na linha de visada dada por:
ss VaV =⋅ ˆr
(2.61)
onde r
V é a velocidade do plasma ionosférico, $as é o vetor unitário de localização da
fonte s. São necessárias, no mínimo, três velocidades na linha de visada para calcular a
velocidade do plasma ionosférico. Aplica-se, então, um ajuste ponderado de mínimos
43
quadrados à Equação (2.61), onde ws representa fatores de ponderação não negativos.
Temos, para cada uma de S fontes (Bullett, 1994):
( )2
2 1
1
1 ˆS
s s ss
S
ss
w V a VS
wε =
=
⋅ − =
∑
∑
r
(2.62)
onde
zzyyxx
zsysxss
aVaVaVV
azayaxa
ˆˆˆ
ˆˆˆˆ
++=
++=r (2.63)
Substituindo-se em (2.25), obtém-se:
( )2
2 1
1
1 S
s x s y s z s ss
S
ss
w V x V y V z VS
wε =
=
+ + − =
∑
∑ (2.64)
Aplica-se, então, o mesmo tratamento dado ao vetor posição da fonte. Isto é, da
condição de mínimo da derivada de ε2 com relação às componentes da velocidade do
plasma ionosférico desconhecida, chega-se a uma equação matricial dada por:
∑∑∑
=
∑∑∑∑∑∑∑∑∑
sss
sss
sss
z
y
x
ssssssss
ssssssss
ssssssss
zVwyVwxVw
VVV
zwzywzxwzywywyxwzxwyxwxw
2
2
2
(2.65)
A velocidade do plasma ionosférico é obtida com a inversa da matriz quadrada
contendo termos da fonte, multiplicada pela matriz coluna contendo dados da
velocidade na linha de visada:
[ ][ ] [ ]⇒= LVS
44
[ ] [ ] [ ]LSV 1−= (2.66)
2.4.2 Pós-processamento
Scali et alii (1993, 1995a e b) e Bertoni (1998) escreveram a respeito do pós-
processamento dos arquivos de deriva pelo DDAS e pelo DDAV. Desde então, não
houve muitas mudanças na maneira de efetuar essas tarefas. Entretanto, desde meados
de 2002, foi lançado o Drift-Explorer com o qual é mais fácil obter as componentes de
velocidade medidas pelas Digissondas.
Algumas alterações dos códigos-fonte do DDAV mudaram o formato de saída
dos dados de velocidade. Com a nova versão, são gerados arquivos ASCII com extensão
*.DVL, os quais contêm as medianas das três componentes da velocidade de deriva, isto
é, componente vertical (Vz), zonal (Vy), meridional (Vx) e respectivos erros. Os sistemas
de coordenadas são escolhidos conforme as configurações do arranjo de antenas
receptoras que, no nosso caso, estão dispostas no sistema de coordenadas
geomagnéticas no qual o eixo x aponta no sentido do norte magnético, y, para o oeste
magnético e z na vertical para cima.
2.4.3. Sobre o Método de Obtenção de Velocidade na Linha de Visada
Desenvolveu-se uma técnica de cálculo de velocidade vertical na linha de visada
a partir do desvio Doppler em freqüência do sinal recebido. Havia dois objetivos para
desenvolvermos e utilizarmos essa técnica: 1) em princípio, cogitou-se a hipótese de
que selecionando-se somente fontes refletoras próximas à vertical, ou seja, com
pequenos ângulos de zênite, teríamos medidas mais precisas da componente vertical,
eliminando possíveis contaminações de velocidade horizontal em virtude de inclinações
na camada refletora; 2) foi um esforço para conseguir a componente vertical quando as
medidas fornecidas pelo DDAV estavam ruins.
45
A velocidade na linha de visada é obtida segundo já foi mostrado na Equação
(2.37) repetida abaixo, isto é:
2loscV ff
= − ∆
Para calcularmos o desvio em freqüência, ∆f , efetuamos o seguinte cálculo:
∆f = Linha Doppler Espectral × Resolução Espectral
A linha Doppler do espectro do sinal recebido é obtida a partir dos arquivos gerados
pelo DDAS, responsável pela localização das fontes refletoras. Portanto, antes de
rodarmos o algoritmo que calcula a Vlos, rodamos, primeiramente, o DDAS. A resolução
espectral, por sua vez, é calculada segundo a seguinte expressão:
1dfCIT
= (2.67)
onde CIT representa o tempo de integração coerente (da sigla em inglês Coherent
Integration Time) e é calculado de acordo com a relação abaixo:
CIT = (NDop×P×FMplx) / (R / X) (2.68)
Onde,
NDop = número de linhas espectrais
P = número de polarizações
FMplx = número de freqüências multiplexadas
R = Taxa de repetição de pulso
X = Tipo de código de transmissão de sondagem
O número de linhas espectrais é igual a 2N onde N é um parâmetro de sondagem
com valor selecionado pelo operador, comumente N = 6 ou 7. Assim, o número de
46
linhas pode ser 64 ou 128. O número de polarizações é igual a 1 se somente o modo
para ecos ordinários é usado e igual a 2 se os modos para ecos ordinários e
extraordinários são usados em alternância. A taxa de repetição de pulso é um outro
parâmetro com valor selecionável pelo operador, podendo ser igual a 50Hz, 100Hz ou
200Hz. E X é igual a 1 para uma seqüência de código de fase simples ou igual a 2 para
uma seqüência de fase complementar (Haines, 1994).
A título de exemplificação, vamos supor que N = 7, X = 2, R = 50Hz e FMplx =
1. Assim, temos NDop = 128 linhas espectrais (64 linhas de Doppler positivo e 64 de
Doppler negativo) e, portanto, o tempo de integração coerente é igual a 20,48s.
Conseqüentemente a resolução espectral é de 0,0488Hz por canal. Dessa forma, o
desvio Doppler em freqüência estende-se de -3,125Hz a 3,125Hz.
Vamos agora supor que seja recebido um eco de 6MHz resolvido na linha
espectral de número +20. O desvio Doppler é então de +0,976Hz – basta multiplicar 20
por 0,0488Hz. Logo, a velocidade na linha de visada, obtida a partir da Equação (2.37)
será de aproximadamente -24,5m/s – o que significa que a fonte refletora está se
aproximando das antenas e, portanto, em se tratando de velocidade vertical, está em
movimento descendente com uma velocidade de 24,5m/s.
2.4.4 Sobre as Técnicas dhF/dt e dhF0.80/dt
Conforme já mencionado na Secção 2.2.2, a velocidade vertical obtida pelo
método dhF/dt é calculada a partir da diferença das alturas reais de uma determinada
freqüência de sondagem entre dois sucessivos ionogramas. Utilizou-se, primeiramente,
o método de diferença centrada simples, para posteriormente aplicar aos cálculos de
derivada temporal um método mais aprimorado que utiliza cinco pontos sucessivos.
Além disso, na primeira versão somente freqüências de sondagem pré-fixadas em
intervalos de 0,5MHz, poderiam ser usadas – isto é, por exemplo, 4MHz, 4,5MHz,
5MHz e assim por diante. E, na versão posterior qualquer freqüência já pode ser usada,
pois é feita uma interpolação linear.
47
O algoritmo para o cálculo de dhF0.80/dt utiliza o mesmo método acima para
calcular a derivada temporal (ver, por exemplo, Singer, 1964). A diferença entre essas
duas técnicas de obtenção de velocidade de deriva vertical é que esse segundo utiliza
alturas reais referentes a freqüências iguais a 80% da freqüência foF2. O principal
objetivo foi ter uma ferramenta a mais para conseguir velocidades de deriva mais
precisas sem muita contaminação dos efeitos de produção fotoquímica.
Para calcular as derivadas utilizou-se o método de derivação através da
diferença finita por 5 pontos contíguos e igualmente espaçados (ver, por exemplo,
Singer,1964). Conforme a simetria e a disponibilidade de pontos, uma das seguintes
expressões era aplicada no cálculo, onde mi (i = 0, 4), representam a aproximação
usada:
[ ]0 0 1 2 3 41 25 ( ) 48 ( ) 36 ( ) 16 ( ) 3 ( )
12m f x f x f x f x f x
h= − + − + − (2.69)
[ ]1 0 1 2 3 41 3 ( ) 10 ( ) 18 ( ) 6 ( ) ( )
12m f x f x f x f x f x
h= − − + − + (2.70)
[ ]2 0 1 3 41 ( ) 8 ( ) 8 ( ) ( )
12m f x f x f x f x
h= − + − (2.71)
[ ]3 0 1 2 3 41 ( ) 6 ( ) 18 ( ) 10 ( ) 3 ( )
12m f x f x f x f x f x
h= − + − + + (2.72)
[ ]4 0 1 2 3 41 3 ( ) 16 ( ) 36 ( ) 48 ( ) 25 ( )
12m f x f x f x f x f x
h= − + − + (2.73)
onde x é a variável independente e 0ix x ih= + ; i = 0,1,2,3,4 e h é o passo. Em nosso
caso, a variável independente é o tempo (medido em hora), as parcelas f(x) representam
as sucessivas alturas reais em que uma determinada freqüência está ao longo do dia e h
pode ser igual a 1/4 (0,25hora para sondagens a cada 15min) ou 1/12 (~0,0833 para
sondagens a cada 5min). Logo, considerando o caso de sondagens a cada 15min, o fator
48
1/12h fica igual a 1/3. Como se vê os resultados acabam sendo expressos em km/h e
então é necessário dividir por 3,6 para converter em m/s.
Vamos supor que haja uma seqüência de pontos igualmente espaçados –
digamos 15 minutos. Por esse método, utiliza-se m0 para calcular a derivada no primeiro
ponto, m1 para calcular a derivada no segundo ponto, m2 para a no terceiro ponto e, não
havendo falhas, m2 poderia ser utilizado até o antepenúltimo ponto do arquivo e no
penúltimo e no último ponto, utilizam-se m3 e m4. Caso haja alguma falha é necessário
empregar-se a expressão de m0 e retomar toda a seqüência.
Na FIGURA 2.5 é apresentado um esquema exemplificando a aplicação do
método descrito acima: no primeiro subconjunto de 5 elementos, aplica-se m0 ao
primeiro ponto, m1 ao segundo ponto, m2 ao terceiro ponto. Como não há falha de dado
no segundo subconjunto, m2 é utilizado novamente No terceiro subconjunto há uma
falha no quinto elemento, então volta-se ao subconjunto anterior e calcula-se a derivada
com m3 e m4 sucessivamente. Pega-se então o quinto subconjunto o qual tem a falha no
centro e aplica-se m2 – eis aí uma das vantagens do método, mesmo com falhas de
dados é possível calcular as velocidades em vários casos.
49
FIGURA 2.5 – Esquema com exemplo de aplicação da seqüência de expressões para o
cálculo das derivadas temporais.
No Capítulo 4, serão apresentados alguns resultados com todas as técnicas
descritas aqui nesse capítulo.
2.5 Radar de Espalhamento Incoerente
Os radares de espalhamento incoerente utilizam o princípio de espalhamento
Thomson, o qual consiste na reflexão por elétrons livres de parte da energia
eletromagnética incidente.
Tais instrumentos operam em freqüências bem maiores do que a freqüência
crítica da região F, a qual geralmente não ultrapassa valores maiores que 20MHz. Entre
alguns exemplos, em Arecibo (18,3°N, 66,8°O), Porto Rico, há um radar de
espalhamento incoerente que opera em 430 MHz; em Millstone Hill (42,6°N, 71,5°O),
EUA, um outro que opera em 440 MHz; em Sondre Stromfjord (69,5°N, 51°O),
m0 m1 m2 m2 m3 m4 m2 m0 m1 m2
. . .
. . .
50
Groenlândia, um outro, ainda, que opera em 1290 MHz. No caso do radar do Rádio
Observatório de Jicamarca (12°S, 77°O), transmite-se em 49.9 MHz.
Conforme foi mencionado anteriormente, as ionossondas transmitem
verticalmente pulsos de ondas eletromagnéticas, comumente em freqüências entre 1 e
20MHz. Esses pulsos sofrem reflexão em regiões do plasma ionosférico quando é
satisfeita a condição de igualdade entre a freqüência do plasma e a freqüência da onda
incidente.
Os pulsos de ondas eletromagnéticas de freqüência bem mais alta que a
freqüência crítica da região F, transmitidos verticalmente por radares de espalhamento
incoerente, podem atravessar o plasma ionosférico. À medida que esses pulsos se
deslocam através do plasma ionosférico, sofrem espalhamento pelos elétrons e, parte da
energia eletromagnética incidente é refletida, ou seja, os elétrons produzem pequenos
ecos. Como os elétrons na ionosfera possuem movimento termal, os ecos possuem fases
aleatórias e, por isso, denomina-se como espalhamento incoerente a esses ecos com fase
aleatória. Entretanto, os íons controlam o movimento dos elétrons, num raio igual ao do
comprimento de Debye e, como são mais pesados que os elétrons e possuem movimento
mais lento, acaba havendo certa coerência nas fases dos ecos produzidos pelos elétrons.
Utilizando-se um mesmo conjunto de pulsos e sincronizando a recepção dos
ecos em diferentes intervalos de tempo, os radares de espalhamento incoerente podem
obter informações tanto da parte inferior ao pico de densidade eletrônica da região F
como de sua parte superior. Enquanto as ionossondas, devido ao seu princípio de
funcionamento e à faixa de freqüências em que opera, obtêm informações da base até a
altura do pico de densidade eletrônica da camada ionosférica.
Os ecos incoerentes provêm de um grande número de elétrons em constante
estado de agitação térmica. Essa movimentação dos elétrons produz efeito Doppler na
freqüência da onda incidente e, por isso, os ecos se distribuem em um intervalo de
freqüências em torno da freqüência transmitida, portanto, o sinal recebido é
representado por um espectro de potência.
51
Se o sinal recebido nas antenas fosse devido a uma só freqüência, isto é, se fosse
monocromático, o seu espectro seria representado por uma função delta de Dirac. Como
o sinal recebido não é monocromático, mas, sim, composto de diversos comprimentos
de onda, o seu espectro é representado por uma função bem mais complexa. Segundo
Evans (1966), o espectro de potência é uma função que tem dependência com as
densidades e temperaturas de íons e elétrons, bem como com o comprimento de Debye
do plasma e o comprimento de onda utilizado nas sondagens. Conhecendo-se os
processos envolvidos no espalhamento da radiação incidente, é possível utilizar-se o
espectro de potência para estudar as características do meio.
Gordon (1958) foi quem mostrou ser possível o uso de radares para detectar o
espalhamento incoerente. Experimentos conduzidos por Bowles (1958), mostraram que
a largura do espectro era menor do que se previa, como resultado do controle exercido
pelos íons sobre o movimento termal dos elétrons.
Estudos posteriores (Dougherty e Farley, 1960; Fejer, 1961; Salpeter, 1961)
mostraram que o espectro espalhado consiste de duas partes: uma componente iônica e
uma componente eletrônica. Quando o comprimento de onda transmitido pelo radar é
muito maior que o comprimento de Debye do plasma, a energia espalhada é resultado
da velocidade termal mais lenta dos íons, conseqüentemente somente a componente
iônica do espectro é evidenciada. Se o comprimento de onda utilizado pelo radar é
muito menor que o comprimento de Debye, a energia espalhada é totalmente devido à
componente eletrônica.
Um diagrama esquemático da componente iônica de espectro de potência devido
a espalhamento incoerente é mostrado na FIGURA 2.6, a seguir, baseado em Kelley
(1989). Vários parâmetros do plasma estão disponíveis a partir do espectro de potência.
A área da curva, por exemplo, é proporcional à densidade numérica. Já ∆f varia em
função da temperatura dos íons e dos elétrons, assim, para temperaturas maiores, mais
largos são os espectros e, para temperaturas menores, mais estreitos. A intensidade dos
picos relativamente ao pequeno vale é função da temperatura dos elétrons. Além disso,
52
o deslocamento f0 do espectro como um todo com relação à freqüência transmitida (fT),
permite calcular a velocidade na linha de visada dos íons.
FIGURA 2.6 – Diagrama esquemático do espectro de potência devido a espalhamento
incoerente: fT representa a freqüência transmitida; ∆f é uma medida da
temperatura dos íons e elétrons; f0 é o desvio Doppler médio, através do
qual é possível obter uma medida da velocidade dos íons na linha de
visada.
FONTE: Kelley (1989, p. 427).
Alguns outros parâmetros que podem ser determinados a partir da componente
iônica do espectro de potência são, por exemplo, o campo elétrico, o tensor
condutividade, correntes elétricas e a velocidade do vento neutro.
Finalmente, para mais detalhes a respeito do espalhamento incoerente do radar
de espalhamento incoerente do Rádio Observatório de Jicamarca, recomenda-se a
leitura dos trabalhos de Woodman e Hagfors (1966) e Kudeki et alii (1999).
f0
fT Freqüência
Potê
ncia
∆f
53
CAPÍTULO 3
SOBRE O MODELO SUPIM
3.1 Introdução
A modelagem computacional aplicada ao sistema ionosfera-termosfera tem sido
útil para entender, descobrir e fazer previsões sobre os seus fenômenos físicos.
Vários modelos foram elaborados desde a década de 60 do século XX (ver, por
exemplo, Stening et alii, 1992). No Brasil, há os modelos de densidade eletrônica/iônica
e campos elétricos da região ionosférica de baixas latitudes feitos por Bittencourt
(1996), Batista (1985), Paula (1987) e Bonelli (1995).
Os modelos computacionais podem ser de três tipos: matemático, empírico ou
semi-empírico. O primeiro tipo resolve um conjunto de equações diferenciais de
continuidade, transporte de energia e momentum, para gerar as suas saídas; o segundo
tipo, somente dados observados, interpolações e extrapolações; e, o terceiro tipo, é um
misto dos outros dois primeiros.
Devido à complexidade do sistema ionosfera-termosfera-magnetosfera, em
geral, os modelos respondem melhor para suas regiões de interesse e, portanto, podem
simular bem o comportamento para médias latitudes e não para baixas, ou vice versa.
Mesmo os modelos globais utilizam simplificações que os fazem responder melhor a
determinado conjunto de latitudes.
Para este trabalho em particular, foi utilizado o Sheffield University
Plasmasphere Ionophere Model (SUPIM), o qual tem sido desenvolvido desde finais da
década de 70 (Bailey e Sellek, 1990; Bailey e Balan, 1996; Bailey et alii, 1997). Trata-
se de um modelo matemático aplicável a latitudes que possuem linhas de campo
geomagnético fechadas (Bailey et alii, 1997). Devido às configurações usadas nos seus
cálculos, torna-se um bom modelo para estudar fenômenos de baixas latitudes
54
magnéticas, tal como é o nosso caso, incluindo-se os efeitos característicos observados
nos pontos geomagnéticos conjugados. O tratamento dado às expressões matemáticas e
descrição do modelo aqui apresentado baseia-se no trabalho de Bailey et alii (1997).
3.2 Descrição do Modelo
O SUPIM resolve as equações de continuidade, momento e balanço energético
dependentes do tempo ao longo de linhas fechadas do campo geomagnético. As
soluções desse sistema de equações fornecem a distribuição espacial (em latitude e
altura) e temporal de valores de densidade, velocidade e temperatura para os íons O+,
H+, He+, N2+, O2
+ , NO+ e elétrons (Bailey et alii, 1997). Segundo os autores, os
principais processos físicos e químicos incluem produção de íons devido à radiação
solar EUV, produção e perda de íons devido a reações químicas entre os íons
constituintes e gases neutros, difusão ambipolar e térmica, colisões entre íons e entre
íons e neutras, ventos termosféricos, deriva eletromagnética, condução térmica,
aquecimento fotoeletrônico, aquecimento friccional, e mecanismos de aquecimento e
resfriamento locais.
O campo geomagnético é representado por um dipolo excêntrico inclinado com
relação ao eixo de rotação terrestre. Nessa aproximação de dipolo excêntrico, o centro
do dipolo é deslocado 500km do centro geográfico na direção 21°N, 147°E. O eixo do
dipolo é inclinado em relação ao eixo de rotação interceptando a superfície terrestre em
(82°N, 95°W) e (75°S, 119°E). Em meados de 2002 foi incorporado o cálculo de
declinação magnética usando o IGRF95. Posteriormente, em 2003, foi feita a
atualização para o IGRF2000.
O dipolo excêntrico e inclinado relativamente ao eixo de rotação terrestre pode
utilizar como referência o sistema de coordenadas esféricas (r, θ, φ) com algumas
transformações, dada a simetria do problema. As equações do modelo são representadas
num sistema de coordenadas paralela e perpendicular ao campo magnético, seguindo o
já bem conhecido tratamento dado por Kendall (1962). Vários modelos utilizam essa
transformação de coordenadas por facilitar o tratamento algébrico das soluções do
55
sistema de equações. Para mais detalhes a respeito das transformações de coordenadas
aplicadas no modelo SUPIM, recomenda-se a leitura de Bailey e Balan (1996).
3.2.1 Dados de Entrada
As informações de entrada são as seguintes: ano, dia do ano (calendário
corrido); fluxo solar F10.7 diário e média sobre 80 dias; índice Ap e arquivos contendo
dados de ventos meridionais termosféricos, bem como arquivos contendo dados de
deriva ionosférica. Além desses parâmetros, os quais são fornecidos diretamente pela
leitura de arquivo, também se constituem como informações de entrada para o modelo:
as intensidades para vários intervalos de comprimento de onda do espectro solar EUV
calculados pelo modelo EUVAC (Richards et alii, 1994) e valores de seções
transversais de absorção e ionização adotados de Torr e Torr (1979 e 1982).
O MSIS86 é usado como sub-rotina para calcular densidades de O, O2, N2, H,
He e temperatura da atmosfera neutra, Tn. Além das densidades dos constituintes
neutros fornecidas pelo MSIS86, a densidade de óxido nítrico, NO, também é calculada
e utilizada pelo modelo. Em versões anteriores, usava-se o modelo de Mitra (1968) para
calcular a densidade de NO, a qual segundo o autor, é dada por:
72
3700(NO) 0, 4exp (O ) 5,0 10 (O)n
n n nT
− = − + ×
(3.1)
Porém, na corrente versão do SUPIM, a densidade de NO é obtida através do modelo de
Titheridge (1997).
Os ventos neutros geográficos são calculados pelo modelo HWM90. E os ventos
neutros termosféricos de meridiano magnético, os quais são efetivamente utilizados
como entrada para o modelo, são calculados de acordo com a seguinte expressão por:
cosU U D U senDθ φ= − (3.2)
56
onde Uθ e Uφ representam respectivamente, ventos geográficos meridional e zonal e D
representa a declinação magnética. Convém observar que na direção meridional, o
sistema de coordenada dos ventos neutros usado pelo SUPIM é contrário ao sistema de
coordenadas usado no HWM90, isto é, no SUPIM a velocidade é positiva para sul e no
HWM90, positiva para norte. Já o vento zonal geográfico tem o mesmo sentido em
ambos os modelos, ou seja, positivo para leste.
Outro dado de entrada é a deriva eletromagnética E×B. Na corrente versão, a
deriva eletromagnética é lida de arquivos. Há também a opção de utilizar o modelo de
Scherliess e Fejer (1999) o qual se trata de um modelo empírico baseado nas médias de
velocidade de deriva registradas pelo radar de espalhamento incoerente do Rádio
Observatório de Jicamarca, Peru, desde o final da década de 60 do século XX.
Entretanto, para os objetivos deste trabalho, foi interessante entrar diretamente com
valores medidos de deriva seja pelo radar de espalhamento incoerente de Jicamarca,
seja pelas Digissondas.
3.3 Conjunto de Equações
Seguindo o mesmo tratamento dado em Bailey e Balan (1996), serão
apresentadas a seguir as equações resolvidas pelo modelo SUPIM.
3.3.1 Equação de Continuidade
Parte-se da seguinte expressão
( )ii i i i
N N P Lt
∂+ ∇ ⋅ = −
∂V (3.3)
que após transformação de coordenadas, é como se segue:
1 .( )i i ii i i i em
dN AN V P N Ndt A s
β∂+ = − − ∇
∂V (3.4)
57
onde Ni representa a concentração do íon i – no caso do SUPIM, i = O+, H+, He+, N2+,
O2+ , ou NO+; Vi é a velocidade do íon, Pi e Li são as taxas de produção e perda de íons;
iV é a velocidade do íon alinhada ao campo magnético; A é a área da secção transversal
do tubo de fluxo magnético; t é tempo; s e a distância ao longo da linha de campo
magnético (positiva no sentido de norte para sul); βi é o coeficiente da taxa de perda de
íons; emV representa a resultante da velocidade de deriva E×B e velocidade zonal de co-
rotação do íon, ou seja
em V V⊥ Φ= +Vr r
(3.5)
sendo o primeiro termo a deriva eletromagnética e o segundo termo a velocidade de co-
rotação na direção zonal do sistema de coordenadas de dipolo excêntrico. Ainda,
segundo Bailey e Balan (1996), a derivada total da Equação (3.4) é tomada em um
referencial que se move com velocidade emV e é expressa por:
.i iem i
dN N Ndt t
∂= + ∇
∂V (3.6)
A taxa de produção é calculada segundo a Equação (3.7) abaixo:
( ) ( ) exp ( ) ( )i i i j j j jj
P n n H chλ
λ σ λ σ λ χ
= Φ −
∑ ∑ (3.7)
onde:
( )λΦ representa intensidade do fluxo de radiação EUV (fótons/cm2-s)
( )iσ λ = secção de transversal de fotoionização no comprimento de onda λ (m2)
ni e nj densidades dos constituintes neutros i e j (cm-3)
( )jσ λ = secção transversal de absorção no comprimento de onda λ (m2)
Hj = altura de escala do constituinte neutro i (m)
58
( )jch χ = função de Chapman (Smith e Smith, 1972)
χ = ângulo de zênite solar
No modelo, a ionização é produzida pela fotoionização de gases neutros pela
radiação EUV. Na atual versão do modelo, utilizada neste trabalho, o fluxo solar a ser
usado nos cálculos de produção iônica diurna é obtido com o modelo EUVAC de
Richards et alii (1994). O somatório λ∑ é feito sobre os comprimentos de onda
ionizantes e o somatório j
∑ efetuado sobre os gases neutros O, O2 e N2. As secções
transversais de ionização e absorção são apresentadas na Tabela 1. É incorporada
também a produção noturna fruto de reações químicas com os gases neutros, baseada no
modelo de Strobel et alii (1974).
59
TABELA 3.1 – Taxas de reação utilizadas no SUPIM.
Reação Taxa de Reação (cm3 s-1) Referência
O N NO N+ ++ → +2 1 533 10 5 920 10300
12 13, ,( )
× − ×− −+T O
+ ×
−
+
8 600 10300
142
, ( )T O
300 1700≤ ≤+T O( ) K
Torr e Torr (1979)
2 730 10 1155 10
300
1 483 10300
12 12
132
, , ( )
, ( )
× − ×
+ ×
− −+
−+
T O
T O
1700 < T O( )+
Torr e Torr (1979)
O O O O+ ++ → +2 2 2 82 10 7 74 10300
1 073 10300
517 10300
9 65 10300
11 12
122
143
164
, , ( )
, ( )
, ( )
, ( )
× − ×
+ ×
− ×
+ ×
− −+
−+
−+
−+
T O
T O
T O
T O
Torr e Torr (1979)
O H H O+ ++ → + 2 50 10 11 0 5, ,× − Tn Raitt et al., (1975)
H O O H+ ++ → + 89
2 5 10 11 0 5× × − +, ( ),T H
Raitt et al., (1975)
He N He N+ ++ → +2 2
→ + ++He N N
1 20 10 9, × −
Ferguson (1973)
He O He O O+ ++ → + +2 110 10 9, × − Ferguson (1973)
N O NO N2+ ++ → +
1 40 10 300100 44
,( )
,
×
−
+T O
Torr e Torr (1979)
O e O O2+ + → +
1 60 10 30070 55
,,
×
−
Te
Torr e Torr (1979)
O NO NO O2 2+ ++ → + 4 40 10 10, × − Torr e Torr (1979)
N O e N O+ + → + 4 20 10 3007
0 85
,,
×
−
Te
Torr e Torr (1979)
FONTE: Bailey e Sellek (1990).
60
3.3.2 Equação de Momentum
Partindo-se da seguinte equação:
1 ( ) ( ) ( ) ( )V g E V B V U V Vii i i i i i in i i ij i j
i
dm m N kT e m mdt N
ν ν= − ∇ + + × − − − − (3.8)
νin e νij expressam as freqüências de colisão, respectivamente, entre íons e partículas
neutras e íons de diferentes espécies; k é a constante de Boltzmann e Ti, a temperatura
iônica.
Os termos i
t∂∂V e i
i s∂∂VV são desprezados, pois, segundo Banks e Kockarts
(1973), em latitudes baixas e médias, em geral, as variações da densidade de plasma são
acompanhadas por fluxos lentos de plasma. Trabalha-se com duas formulações
diferentes da equação acima, a saber, uma usada para os íons O+, H+ e He+, a qual inclui
termos de difusão térmica derivados de Quegan et alii (1981) para um plasma
totalmente ionizado consistindo de três espécies majoritárias e elétrons; e uma segunda
formulação, que não usa termos de difusão térmica, e é aplicada para os íons N2+, O2
+ e
NO+. Portanto, as equações de momento resolvidas no modelo são as seguintes:
( )
( ) ( )( ) ( )
( ) ( )
* *
0 sen
1
1
cos cos sen cos
e ii i e e
i i i e i
ji ki ij ik
i i i
ij ij ijk ikj i j
ik ik ikj ijk i k
im i m in im n
T TkT N kT N kg Im N s m N s m s
TT Tk k km s m s m s
R R V V
R R V V
V V V U D I U D Iθ φ
β β β
ν
ν
ν ν
∂ +∂ ∂= − − − −
∂ ∂ ∂∂∂ ∂
− + +∂ ∂ ∂
− − ∆ − + − − − ∆ − + −
− − − − +∑ ∑
(3.9)
( )
( ) ( )
0 sen
cos cos sen cos
e ii i e e
i i i e i
ij i j in ij i n
T TkT N kT N kg Im N s m N s m s
V V V U D I U D Iθ φν ν≠
∂ +∂ ∂= − − − −
∂ ∂ ∂
− − − − +∑ ∑ (3.10)
61
imν = freqüência de colisão entre íons atômicos (O+, H+, He+), i, e moleculares (N2+, O2
+,
NO+), m,
inν = freqüência de colisão entre íons atômicos (i) e componentes neutros
O somatório m∑ é sobre íons moleculares, o somatório
n∑ é sobre gases neutros e o
somatórioj i≠∑ é sobre todos os íons exceto i-ésimo. As quantidades iβ , *
ijβ e *ikβ
representam coeficientes de difusão térmica e as quantidades ij∆ , ik∆ , ijkR e ikjR são
fatores de correção para o coeficiente de difusão da espécie i . Os índices i, j e k são
utilizados das seguintes formas: quando i=O+ então, j=H+ e k=He+; quando i=H+
então, j=O+ e k=He+; quando i=He+, então, j=O+ e k=H+. As freqüências de colisão
entre íons de diferentes espécies, bem como entre íons e partículas neutras são
encontradas em Bailey e Balan (1996).
Considera-se a condição de neutralidade de cargas, ou seja,
e ii
N N= ∑ (3.11)
e que não há correntes alinhadas ao campo geomagnético,
e e i ii
N V N V= ∑ (3.12)
Onde eV representa a velocidade de elétrons alinhada ao campo e i
∑ representa o
somatório sobre os íons.
3.3.3 Equação de Conservação de Energia
A equação de conservação de energia para os íons e elétrons é dada por:
3 1 12
i i i ii i i i i em i in
i
dT T AV TkN V Q kN T A Fdt s A s A s s
κ ∂ ∂ ∂∂ + = − + ∇ ⋅ + + ∂ ∂ ∂ ∂
V (3.13)
62
onde Qi representa taxa de aquecimento; κi, a condutividade e Fin representa
aquecimento por fricção. A derivada total dTi/dt é expressa por:
i iem i
dT T Tdt t
∂= + ⋅∇
∂V (3.14)
Não são incluídas as equações de conservação de energia para íons moleculares,
segundo os autores, porque suas temperaturas são consideradas iguais à do íon O+.
O aquecimento por fricção é calculado através da seguinte expressão:
( )
( )
2
2 2
{ cos cos sen cos
sen sen cos sen ( ) }
i nin in i i
n i n
i i
m mF N V U D I U D Im m
V U D I U D I V
θ φ
θ φ
ν
⊥ Φ
= − ++
+ − + +
∑ (3.15)
Onde mn representa a massa do constituinte n e a somatória é efetuada sobre
constituintes neutros. O aquecimento por fricção relativo ao movimento entre elétrons e
partículas neutras não é incluído na equação de conservação de energia por ser
considerado desprezível em comparação aos seus outros termos.
3.3.4 Método de Resolução das Equações
As equações são resolvidas numericamente através de um método de diferenças
finitas. Os pontos da grade são distribuídos ao longo de linhas de campo.
Primeiramente, determina-se a mais alta linha de campo alcançada pelo tubo de plasma
durante os cálculos do modelo e então os pontos são distribuídos em incrementos, ∆x,
igualmente espaçados ao longo da linha de campo magnético, onde:
senh( ) , nortesenh( )senh( ) , sulsenh( )
n
s
xqq
Γ Γ= Γ Γ
(3.16)
63
Γ é um parâmetro de distribuição de pontos, qn é o valor da coordenada q (Kendall,
1962) no limite inferior do hemisfério norte e qs, o mesmo para o hemisfério sul. O
limite em cada hemisfério foi considerado à altura geográfica de 100km, para este
trabalho. O número de pontos ao longo da mais alta linha de campo depende de seu
valor de coordenada L. Para este trabalho, foram utilizados 601 pontos em cada linha de
campo e 128 tubos de plasma cobrindo uma faixa de 100 a 735km de altura sobre o
equador magnético em intervalos de 5km de altitude.
3.4 Procedimentos Utilizados com o Modelo
Conforme foi mencionado anteriormente, o código fonte do modelo foi
modificado para utilizar, além dos dados habituais de entrada (ver na Secção 3.2.1),
valores modificados de velocidade de deriva vertical e de ventos.
O procedimento utilizado é o seguinte: partindo-se de valores de deriva medidos
pelas Digissondas ou pelo radar de espalhamento incoerente de Jicamarca (quando se
está trabalhando com dados daquela localidade), vai se modificando somente a
velocidade vertical de deriva para obter valores de hmF2 que concordem com hmF2
observado pela Digissonda sem alterar o comportamento da velocidade dos ventos
neutros meridionais. Em seguida, após obter boa concordância no parâmetro hmF2,
modifica-se o comportamento da velocidade dos ventos neutros meridionais para que os
valores de foF2 calculados pelo SUPIM e observados concordem. A partir daí é
necessário efetuar algumas modificações na deriva novamente, pois ocorrem algumas
alterações em hmF2. Paralelamente, vão se conferindo as isolinhas de densidade
calculadas pelo modelo e observadas. No Capítulo 5 é apresentado um fluxograma do
procedimento utilizado.
O procedimento adotado é similar ao que Souza (1997) utilizou em seu trabalho
de doutorado. As diferenças entre os métodos são as seguintes: as velocidades de deriva
iniciais são baseadas em medidas diretas de deriva ou dhF/dt a partir de alturas reais dos
ionogramas; Souza (1997) utilizou valores médios de hmF2 e foF2 e neste trabalho faz-
se uso de dias individuais; no presente trabalho é observada também a concordância
64
entre as isolinhas de densidade observadas e calculadas. O objetivo é obter valores de
deriva vertical e ventos efetivos para o modelo, estabelecendo as diferenças com os
valores observados pelos instrumentos.
O SUPIM utiliza o modelo HWM90 para calcular a velocidade de ventos neutros
termosféricos em cada ponto das linhas de campo. Considerou-se que a partir de 300km de
altura não havia diferenças significativas no perfil vertical de velocidade do vento
meridional. Então, baseado nos valores de velocidade do vento referentes a 300km de
altura, manualmente eram feitas modificações nas curvas de velocidade de vento. A
diferença entre o vento calculado pelo HWM90 e o vento modificado era então adicionada
ao vento calculado pelo HWM90 dentro do modelo em todas as alturas relativas ao mesmo
horário. Como resultado, a distribuição de densidade eletrônica ao longo das linhas de
campo era alterada e o efeito podia ser observado através do parâmetro foF2.
A velocidade de deriva utilizada nos cálculos do modelo, em geral, é obtida de
medidas feitas pelo radar de espalhamento de Jicamarca ao longo de vários anos
(Woodman e Hagfors, 1969; Fejer et alii, 1991) e Arecibo (Fejer, 1993), sendo que as
medidas de radar de Jicamarca foram usadas como base do modelo de deriva de
Scherliess e Fejer (1999). Esse padrão de deriva de Jicamarca é usado para linhas de
campo magnético com ápice em altitudes entre 200 e 600km e o padrão de deriva de
Arecibo para linhas cujo ápice está entre 600km e 3000km. Acima dessa faixa de
altitude é feita uma interpolação linear até ser considera nula acima de 4000km. Essas
regiões de interpolação da deriva serão tratadas mais detalhadamente no Capítulo 5.
Neste trabalho, os valores de deriva foram fornecidos por medidas diretas registradas
por Digissondas (Jicamarca e São Luis) ou pelo radar de espalhamento incoerente de
Jicamarca. Esses valores de velocidade vertical de deriva são utilizados na mesma faixa de
altura em que seria aplicado o padrão de deriva vertical de Jicamarca, segundo o modelo de
Scherliess e Fejer (1999). E foi utilizada a interpolação linear com o padrão de deriva de
Arecibo.
65
CAPÍTULO 4
RESULTADOS I: COMPARAÇÃO DE VELOCIDADES
4.1 Radar e Digissonda
As Digissondas são capazes de medir o desvio Doppler em freqüência do sinal
recebido e a localização das fontes refletoras. Esses parâmetros são observados tanto no
modo de ionograma como no modo de deriva e ficam registrados nos arquivos binários
de ionogramas e de derivas. Conforme já tratado foi no Capítulo 2, os arquivos *.DFT
são pós-processados com o programa DDAS sendo gerados os arquivos *.SKY do tipo
ASCII, onde são tabelados os valores das coordenadas de localização das fontes
refletoras, dos valores de linhas espectrais de desvio Doppler, entre outras informações.
Os arquivos *.SKY, por sua vez, podem ser processados com o DDAV e então
são gerados arquivos que contêm medidas de velocidade. Como o DDAV assume a
priori a uniformidade de movimento do plasma durante as medidas, levantou-se a
questão de que fontes refletoras com grandes ângulos zenitais pudessem ter a
componente vertical de sua velocidade contaminada pelo movimento horizontal caso
houvesse inclinação da camada ionosférica refletora. Portanto, cogitou-se a hipótese de
que se fossem utilizadas somente fontes refletoras com pequeno ângulo de zênite
haveria eliminação do efeito indesejado acima. Foi desenvolvido, então, um programa
(já descrito no Capítulo 2) que, a partir dos arquivos *.SKY, efetua cálculos da
velocidade na linha de visada utilizando como base o desvio Doppler em freqüência.
Outras técnicas para obter velocidades de deriva vertical foram desenvolvidas.
São elas as técnicas de dhF/dt e dhF0.80/dt, também já descritas no Capítulo 2. Foram
elaboradas para suprir dados de velocidade quando os dados de deriva não estavam tão
bons e, também, para investigar a possibilidade de obter boas medidas próximo ao pico
de densidade eletrônica da região-F.
66
É interessante comparar as medidas do radar de espalhamento incoerente com as
da digissonda de Jicamarca por, pelo menos, três motivos: 1) operam na mesma
localidade, o que permite fazer observações da mesma região ionosférica de plasma; 2)
possuem diferentes princípios de sondagem – o radar mede deriva eletromagnética e a
Digissonda mede uma velocidade de deriva aparente do plasma, o que permite uma
validação das medidas de um e outro instrumento; 3) conhecendo-se o comportamento
relativo das curvas de velocidade, passa a haver a possibilidade de se estender os
resultados às medidas efetuadas pelas Digissondas de São Luis e Cachimbo, já que
ambas as localidades se situam muito próximas ao equador geomagnético, tal como a de
Jicamarca. Neste capítulo, são apresentados a seguir os gráficos de velocidade medida
pelo radar e pela digissonda de Jicamarca para somente alguns dias de todos os períodos
de observação.
O padrão de comportamento das curvas de velocidade de deriva obtidas pelo
radar de espalhamento incoerente de Jicamarca é bem conhecido na literatura (ver, por
exemplo, Fejer et alii, 1991 e 1995). Em geral, a componente vertical da velocidade de
deriva eletromagnética E×B é positiva (ascendente) durante o dia (entre 8 e 19h locais),
ocorrendo o denominado pico pré-inversão em torno de 18-19h locais e, à noite, torna-
se negativa (descendente) até o nascer do Sol na região F. Fisicamente, esse
comportamento é explicado pela existência de uma componente zonal do campo elétrico
de dínamo das regiões E e F, a qual aponta para leste, durante o dia e para oeste, durante
a noite.
Na região F, os campos elétricos são criados pelos ventos neutros termosféricos
(Rishbeth, 1971; Farley et alii, 1986; Eccles, 1998), porém, durante o dia, as altas
condutividades da região E, ao longo das linhas de campo geomagnético, promovem o
mapeamento dos campos elétricos da região E para a região F. Portanto, durante o dia,
as derivas verticais e zonais são controladas, basicamente, pelos campos elétricos da
região E. Durante o período do crepúsculo e início da noite, quando a condutividade da
região E cai rapidamente, os campos elétricos das regiões E e F somam suas
contribuições à velocidade de deriva vertical, aumentando-a substancialmente, gerando
67
o pico pré-inversão (Rishbeth, 1971). Durante a noite, os campos elétricos da região F
passam a ser responsáveis pelo comportamento das derivas verticais, sendo estas
voltadas para baixo (negativas) e as derivas zonais, para leste.
Bertoni (1998) observou que as velocidades de deriva medidas por uma
Digissonda instalada em São Luis possuíam um comportamento diferente do descrito
acima. Basicamente, a deriva vertical medida pela Digissonda mostrava boa
concordância somente em torno do horário de ocorrência do pico pré-inversão. Durante
o dia, a velocidade muitas vezes era negativa e quase sempre flutuava em torno de zero
e, à noite, levemente positiva. Tal comportamento se deve, basicamente, à técnica de
reflexão total dos pulsos (descrita no Capítulo 2) utilizada por esses instrumentos. Com
essa técnica de sondagem, as medidas de velocidade trazem influência dos processos de
produção e perda de ionização, da gravidade terrestre, de processos de difusão e
transporte por ventos neutros, bem como da deriva eletromagnética. Por isso, denomina-
se como velocidade aparente a velocidade medida pela Digissonda.
Após a aquisição de uma Digissonda DPS-4 (no início de 2001) com um sistema
mais moderno de transmissão e recepção – um sistema transistorizado e com pulsos
codificados, podendo trabalhar com menos potência e maior ganho – constatou-se que a
qualidade das medidas de velocidade de deriva e ionograma melhoraram bastante com
relação ao antigo sistema DGS-256 (utilizado em São Luis e Cachoeira). Não somente o
sistema contribui para um bom conjunto de dados. É importante, também, um conjunto
apropriado de parâmetros de sondagem. Atualmente, depois de analisar uma série de
conjuntos de parâmetros de sondagem de deriva, as Digissondas DGS-256 de São Luis
e Cachoeira Paulista mostraram melhora de qualidade com relação a medidas efetuadas
em anos anteriores a 2003.
O radar de espalhamento incoerente efetua medidas em intervalos fixos de 15km
de altura, numa faixa entre 45km e 900km. Analisando-se o perfil vertical de
velocidade, observou-se pequeno gradiente na maior parte do dia. Então, nos gráficos
apresentados a seguir, é apresentada a velocidade medida em 390km de altura pelo
68
radar por dois motivos: 1) Próximo a esse valor de altura concentram-se as fontes de
reflexão; 2) há maior disponibilidade de pontos.
Na FIGURA 4.1, são apresentadas sobrepostas várias curvas de velocidade
medida pelo radar de espalhamento incoerente do Rádio Observatório de Jicamarca
(ROJ). Podemos observar alguns aspectos tais como o pequeno gradiente vertical de
velocidade de deriva durante a maior parte do dia, evidenciado pela pouca dispersão dos
pontos do gráfico e o efeito causado pela presença de Spread-F, caracterizado pelos
traços dispersos, na faixa de horário noturno.
00 04 08 12 16 20 00-100
-50
0
50
100
ALTURA (km) 195.00 210.00 225.00 240.00 255.00 270.00 285.00 300.00 315.00 330.00 345.00 360.00 375.00 390.00 405.00
VELOCIDADE VERTICALRADAR DE ESPALHAMENTO INCOERENTE
HORA LOCAL
JICAMARCA13/DEZ/2001
VEL
OC
IDA
DE
(m/s
)
FIGURA 4.1 – Sobreposição de curvas de velocidade medidas pelo radar de espalhamento
incoerente do ROJ, Peru, em diferentes alturas: pontos das curvas
denotam pequeno gradiente vertical de velocidade e a presença de
Spread-F durante a noite, iniciando-se pouco depois do pôr-do-sol.
69
Para melhor evidenciar as características apontadas na FIGURA 4.1, são
apresentadas na FIGURA 4.2, alguns perfis verticais da componente vertical de
velocidade de deriva medida pelo radar de espalhamento incoerente.
00 04 08 12 16 20 00-100
-50
0
50
100
195.00 210.00 225.00 240.00 255.00 270.00 285.00 300.00 315.00 330.00 345.00 360.00 375.00 390.00 405.00
LOCAL TIME
JICAMARCAISR
13/DEC/2001
VELO
CIT
Y (m
/s)
200
300
400
500
600
-10 0 10 20 30 40 50
JICAMARCAISR
13/DEC/2001
HEI
GH
T (k
m)
VELOCITY (m/s)
LT 08 09 10 11 12 13
200
300
400
500
600
-20 0 20 40 60 80 100
LT 17 17.5 18 18.5 19 19.5 20 20.5 21
JICAMARCAISR
13-14/DEC/2001W/ SPREAD-F
HEI
GH
T (k
m)
VELOCITY (m/s)
200
300
400
500
600
-40 -20 0
JICAMARCAISR
13/DEC/2001
HE
IGH
T (k
m)
VELOCITY (m/s)
LT 00 01 02 03 04 05
FIGURA 4.2 – Perfis verticais da componente vertical da velocidade de deriva em
algumas faixas de horário ao longo do dia 13/12/2001: medidas
efetuadas pelo radar de espalhamento incoerente de Jicamarca.
Na FIGURA 4.3, são apresentadas medidas de velocidade de deriva efetuadas no
dia 10 de dezembro de 2001 pelo radar de espalhamento incoerente e pela Digissonda
(modelo DPS-4) do Radio Observatório de Jicamarca (ROJ). São mostradas quatro
diferentes curvas de velocidade de deriva: três calculadas a partir dos dados da
Digissonda e uma obtida pelo radar. Cada uma das três curvas derivadas de dados da
Digissonda foi obtida com uma técnica diferente, a saber, a técnica de velocidade na
linha de visada, a de dhF/dt e dhF0.80/dt, todas já descritas no Capítulo 2.
70
08 12 16 20 00 04 08-150
-100
-50
0
50
100
150
Radar
JICAMARCA10-11/DEZ/2001
Vlos
dhF(4)/dt dhF0.80/dt
HORA LOCAL
VE
LOC
IDA
DE
VE
RTI
CA
L (m
/s)
FIGURA 4.3 – Comparação entre as velocidades verticais de deriva medida pelo radar
de espalhamento incoerente e pela Digissonda de Jicamarca.
Podemos ressaltar na FIGURA 4.3 as seguintes características: 1) há boa
concordância das curvas, sobretudo da curva de dhF0.80/dt e radar; 2) há ausência de
pontos de velocidade na linha de visada em alguns horários.
Normalmente, a Digissonda utiliza o programa denominado “Autodrift” (Bullett,
1994), com o qual a freqüência de sondagem de deriva é escolhida automaticamente
pelo instrumento após cada ionograma, depois de conferir qual(is) freqüência(s)
possui(em) a melhor relação sinal-ruído. Exclusivamente nesse período (dezembro de
2001), a Digissonda do ROJ fez sondagens em uma freqüência em torno de 6MHz ao
longo do dia. A curva de velocidade na linha de visada não apresenta pontos em
determinados horários por, basicamente, duas razões: 1) não haver fontes de reflexão
naquela freqüência; 2) os pontos de reflexão estarem em direções oblíquas com ângulos
71
de zênite maiores que o estabelecido no programa que calcula a velocidade na linha de
visada, ou seja, as fontes de reflexão estariam fora do cone de seleção de pontos.
Considerando a primeira razão acima, a freqüência crítica da região F varia ao
longo do dia, podendo chegar a valores mais baixos do que 6MHz. Nessa situação, não
há reflexão para essa freqüência e por conseqüência, não há medidas de velocidade.
Com relação à segunda razão, é necessário fazer algumas considerações.
Primeiramente, na FIGURA 4.3, os valores de velocidade na linha de visada foram
calculados para ângulos de zênite até 2°. O objetivo era de evitar contaminação das
medidas por possíveis componentes horizontais de velocidade da fonte refletora.
Vamos supor que um ponto refletor se mova com velocidade horizontal de
100m/s e velocidade vertical de 10m/s. A resultante é de aproximadamente 100,5m/s.
Na FIGURA 4.4, é apresentado um esquema da situação. Assumindo-se dois valores
diferentes para o ângulo de zênite em que o ponto refletor esteja, por exemplo, a 2° e
10°, teremos as seguintes situações:
Para χ = 2° ⇒ α = 90° - β - χ ⇒ α = 90° - 5,7° - 2° ⇒ α = 82,3°
Onde,
β = arctg(10/100) ≅ 5,7°
cos 13,47 /los losV V V m sα= ⇒ =
Para χ = 10° ⇒ α = 90° - 5,7° - 10° ⇒ α = 74,3°
cos 27,20 /los losV V V m sα= ⇒ =
Na situação em que χ = 0°, temos los zV V≡ .
72
χ
Vlos V’los Vlos
χ
Vh
Vz V=Vz+Vh α
β
FIGURA 4.4 – Representação esquemática da situação em que pontos refletores estão na
vertical e em direção oblíqua: o vetor V é a resultante da soma dos vetores
Vz e Vh, os quais, por sua vez, são a componente vertical e a componente
horizontal. Dessa configuração, conclui-se que quanto menor o ângulo
zenital de observação da fonte, mais próxima está Vlos de Vz.
Em resumo, quanto mais afastado da vertical estiver um ponto refletor mais
chances de contaminação pela possível componente horizontal. Com o programa
Vertical.pro, portanto, é possível selecionar fontes de reflexão que estejam bem
próximas da vertical e evitar que, nos cálculos dos vetores de velocidade, sejam
computados pontos de reflexão distantes da vertical o suficiente para que haja
contribuição da componente horizontal de velocidade. Quando se utiliza o método de
dhF/dt para calcular a velocidade vertical a partir dos ionogramas – seja a altura virtual
mínima ou da altura real referente a uma dada freqüência de sondagem (4MHz, por
exemplo) – as fontes de reflexão podem situar-se a ângulos zenitais com valor suficiente
para não representar apropriadamente a velocidade vertical, já que esta poderá ter
contribuição de movimentos horizontais.
A título de comparação, foi efetuado o cálculo de velocidades para ângulos de
zênite até 10° no mesmo conjunto de dados da FIGURA 4.3. O resultado é apresentado
na FIGURA 4.5, a seguir.
73
-60
-30
0
30
60
08 12 16 20 00 04 08-60
-30
0
30
60
Vlos - DPS-4Ângulos de Zênite
2° 10°
VE
LOC
IDA
DE
VE
RTI
CA
L (m
/s)
HORA LOCAL
Radar
JICAMARCA10-11/12/2001
FIGURA 4.5 – Curvas de velocidade na linha de visada, obtidas com Digissonda para
diferentes ângulos de zênite e velocidade medida por radar de
espalhamento incoerente.
As curvas de diferentes ângulos da FIGURA 4.5 apresentam concordância
bastante razoável. Como era esperado, há mais pontos na curva referente a 10° de zênite
do que na de 2° de zênite, porque este último é um subconjunto do primeiro. Outra
razão para a ausência de pontos é a freqüência crítica da camada estar abaixo de 6MHz.
Na FIGURA 4.6, são apresentados o perfilograma e as isolinhas de densidade medidos
pela Digissonda de Jicamarca nos dias 10 e 11/12/2001. Eles mostram a variação de
freqüência-altura sondada pela Digissonda ao longo do dia. Neles, é possível observar
que na faixa de horário na qual não há pontos para a curva de 10°, a freqüência crítica
estava abaixo de 6MHz.
74
FIGURA 4.6 – Painel superior: perfilograma contendo freqüências da região F ao longo do
dia. Painel inferior: isolinhas de densidade ao longo do dia; na legenda as
cores se repetem depois de 5,5MHz, então basta somar 1MHz para as
freqüências superiores. (Em Jicamarca: hora local = UT – 5, portanto, os
gráficos acima são referentes à faixa de horários de 08 a 08h locais).
O Autodrift foi implementado justamente para evitar as sondagens com
freqüências superiores às de foF2, ao longo do dia, procurando os pares de freqüência-
altura com a relação sinal-ruído otimizada para conseguir boas medidas.
Sobre a FIGURA 4.5, é interessante também observar que as barras representam
o desvio padrão das medidas de velocidade, a qual é uma média sobre cada sondagem
completa de deriva. Essas barras freqüentemente se apresentam menores na curva
referente a 10° do que na curva referente a 2°, porque o cálculo do desvio é feito sobre
um maior número de pontos, já que o cone de amostragem é maior. Conseqüentemente,
75
o efeito de ruídos é minimizado. Quando um ângulo tão pequeno como o de 2° de zênite
é usado para obter as velocidades na linha de visada, a amostragem de pontos de
reflexão comumente é menor. Como a região sondada não possui uniformidade de
movimento, as fontes de reflexão podem possuir velocidades bastante diferentes entre si
e a restrição de 2° apresenta certa limitação dependendo da faixa de horários sondada,
ou da ocorrência de irregularidades de plasma tais como o Spread-F, ou ainda, dos
parâmetros de sondagem de deriva estarem mais bem configurados.
Portanto, maiores ângulos de zênite podem incluir fontes refletoras com
possibilidade de contaminações pela componente horizontal e menores ângulos podem
apresentar resultados um pouco mais flutuantes.
Ainda sobre a FIGURA 4.3, não foram apresentados os pontos da curva de
velocidade obtida com o DDAV, pois eram em menor número ainda que os da técnica
de velocidade na linha de visada. Mais à frente, serão mostrados gráficos comparando
especificamente essa duas técnicas, juntamente com as medidas de radar.
A seguir, são apresentados mais alguns exemplos comparativos de velocidades
obtidas a partir das técnicas apresentadas. Neles, a freqüência de sondagem de deriva
foi variada com o uso do Autodrift. Portanto, há maior quantidade de pontos para a
curva de velocidade na linha de visada, a qual foi calculada para ângulos de zênite até
2°.
76
08 12 16 20 00 04 0801020304050
JICAMARCARADAR - DPS-410-11/OUT/2002
Vlos
V
ELO
CID
AD
E V
ER
TIC
AL
(m/s
)
-100
-50
0
50
100
150
HORA LOCAL
dhF(4)/dt dhF0.80/dt
RADAR
S-F
(km
)
FIGURA 4.7 – Idem FIGURA 4.3, mas para 10-11/10/2002.
A FIGURA 4.7 também exibe, na parte de baixo, um gráfico que apresenta a
variação de um parâmetro que tem se mostrado bastante útil nos estudos de ocorrência
de eventos de Spread-F (SF) e indica a intensidade com a qual ocorrem. Ele é
automaticamente reduzido dos ionogramas, porém, pode ser modificado manualmente,
caso não esteja apropriadamente escalado. Esse parâmetro não representa a faixa de
altura em que se estendem as irregularidades de plasma, mas sim, a distância na qual o
sinal decai até o limiar de ruído (em torno de 3dB), utilizando o quilômetro como
unidade.
Alguns estudos estatísticos têm sido efetuados com o intuito de comparar a
redução automática e a manual (Aquino, 2001). Para tanto, durante o processo de
redução dos ionogramas, classificam-se os eventos, quando presentes, quanto ao tipo –
isto é, se o SF é em altura, freqüência ou misto, imputando-se uma letra (R, F ou M) – e
77
quanto à sua intensidade – fraco, médio ou intenso (A, D ou E). Esses levantamentos
estatísticos mostraram uma concordância bastante razoável entre as reduções
automática e manual daquele parâmetro para longas amostragens – períodos de
sondagens de um ano inteiro, por exemplo. Contudo, é sempre previdente, durante a
redução, verificar os valores calculados automaticamente, no caso de se trabalhar com
pequenos períodos de sondagem.
No caso apresentado na FIGURA 4.7, observam-se valores em torno de 10 a
20km de altura. Isto indica que o SF, naquela ocasião, pode ser considerado como de
média a fraca intensidade.
Na FIGURA 4.7, observa-se também um comportamento atípico da deriva
eletromagnética vertical, que é o aparecimento de um pico secundário após o de pré-
inversão, mostrado inclusive pelas medidas feitas pela Digissonda. Tal concordância
vem a validar uma vez mais as velocidades obtidas com esse instrumento.
Na FIGURA 4.8, é mostrada a variação dos índices ASY-D, ASY-H e SYM-H,
juntamente com componente Bz do campo magnético (IMF-Bz) interplanetário entre os
dias 10 e 11 de outubro de 2002. Porém, nada foi registrado pelos índices simétrico e
assimétrico, em termos de perturbação magnética que explicasse tal evento. Observa-se,
somente, uma inversão de IMF-Bz no mesmo horário em que ocorre o pico secundário
por volta de 20h locais, demonstrando uma possível relação entre a ocorrência do pico
secundário e a inversão de IMF-Bz, fato esse que indica evidências de penetração de
campos elétricos zonais de altas para baixas latitudes magnéticas (Abdu et alii, 1995 e
1991; Batista et alii, 1991).
Batista et alii (1991) apontam vários eventos que ocorreram durante uma
tempestade magnética bastante intensa em 13 de março de 1989. Entre esses eventos,
destacam a possibilidade de penetração de campos elétricos da ordem de 4mV/m
responsáveis por uma subida bastante rápida da camada F após o pôr-do-sol sobre
Fortaleza (3,8°S; 38°O) e Cachoeira Paulista (23°S, 45°O). Abdu et alii (1995)
apresentam evidências da dependência de comportamento da altura de pico de
78
densidade eletrônica da região-F e da anomalia de ionização equatorial com campos
elétricos de penetração associados a variações de IMF-Bz.
-100
-50
0
50
100
-10
-5
0
5
10
-100
-50
0
50
100
ASY H
ASY D
nT
08 12 16 20 00 04 08-10
-5
0
5
10
IMF Bz
nT
HORA LOCAL (77°W)
10-11/OUT/2002
SYM H
nT
FIGURA 4.8 – Índices ASY/SYM e IMF-Bz para o período de 10 a 11/10/2002 (satélite
ACE).
Ao longo do dia 10 na FIGURA 4.7, a curva de velocidade na linha de visada se
aproxima razoavelmente bem da curva de velocidade do radar, mostrando melhor
concordância que as outras técnicas. E, nos horários dos picos, as outras técnicas
apresentam melhor concordância.
Na FIGURA 4.9 são apresentadas as curvas de velocidade para os dias 11 e 12
de novembro de 2002. Uma vez mais, ocorre um comportamento não usual do pico pré-
inversão que se apresenta bifurcado e também há boa concordância entre os diferentes
instrumentos. Ao longo do dia 11, observa-se novamente boa concordância entre Vlos e radar.
79
08 12 16 20 00 04 0801020304050
JICAMARCADPS-4
11-12/NOV/2002
Vlos
V
ELO
CID
AD
E V
ER
TIC
AL
(m/s
)
-100
-50
0
50
100
150
dhF(4)/dt dhF0.80/dt
RADAR
HORA LOCAL
S-F
(km
)
FIGURA 4.9 – Idem FIGURA 4.3, mas para os dias 11 a 12 de novembro de 2002.
Em todos os casos mostrados nas figuras anteriores com curvas de velocidade,
após 0h local, o efeito de recombinação química causa uma velocidade aparente positiva
maior para as medidas de Digissonda, o mesmo acontecendo na FIGURA 4.10.
80
08 12 16 20 00 04 0801020304050
JICAMARCADPS-4
13-14/NOV/2002
Vlos
V
ELO
CID
AD
E V
ER
TIC
AL
(m/s
)
-100
-50
0
50
100
150
HORA LOCAL
dhF(4)/dt dhF0.80/dt
RADAR
S-F
(km
)
FIGURA 4.10 – Idem FIGURA 4.3, mas para os dias 13 e 14 de novembro de 2002.
Com relação à FIGURA 4.10, pouco após o pôr-do-sol, ocorre Spread-F. A sua
presença pode afetar as medidas de radar. É possível haver influência dos campos
elétricos das irregularidades e o sinal ficar contaminado, apresentando ruído e
flutuações.
4.2 DDAV e Vlos
O DDAV é capaz de calcular, além da componente vertical, as componentes
zonal e meridional da velocidade de deriva aparente. As técnicas apresentadas
anteriormente permitem o cálculo da componente vertical. Para melhores resultados
com o DDAS e DDAV, recomendam-se sondagens a cada 5 minutos, ou pelo menos 15
minutos. Sondagens em intervalos de tempo maiores que esse não produzem dados de
boa qualidade.
81
Na FIGURA 4.11, são apresentadas curvas obtidas com a técnica de velocidade
na linha de visada e DDAV. Percebe-se que a concordância entre essas duas técnicas é
muito boa, pois, elas em essência representam o mesmo, isto é, a velocidade de deriva
aparente. No gráfico de velocidade da figura foram também adicionadas as barras de
erro nas medidas de radar, as quais em geral são pequenas Entretanto pouco após o pôr-
do-Sol, há ruídos nas medidas de radar. Uma característica interessante que aparece
nesse gráfico é que, em torno de 3-4h locais do dia 21/03, ocorre um aumento
secundário da velocidade de deriva, o qual é perfeitamente mostrado pelas medidas de
Digissonda.
Na FIGURA 4.12, tal como na FIGURA 4.8, são apresentadas, também, as
curvas dos índices ASY/SYM e IMF-Bz, com o intuito de relacionar o comportamento
incomum da deriva vertical do gráfico da FIGURA 4.11. Observa-se que nesse período
os valores dos índices ASY/SYM são mais altos do que no período mostrado na
FIGURA 4.8 e que, no horário pouco antes de 4h locais, é perceptível atividade
magnética com intensidade razoável e suficiente para induzir o comportamento atípico
da deriva vertical. Logo após 22LT, podemos perceber uma tendência de aumento na
deriva vertical, isto é, torna-se menos negativa, aproximando-se progressivamente de
zero até se inverter, em torno de 03LT. Este comportamento reflete a presença de um
campo elétrico de penetração, dirigido para leste e que se soma ao campo de dínamo
(para oeste), coincidindo com um período de sucessivas inversões em IMF-Bz.
82
08 12 16 20 00 04 08-150
-100
-50
0
50
100
150JICAMARCA
20-21/MAR/2003
DPS-4 - Vlos DPS-4 - DDAV
VE
LOC
IDAD
E V
ER
TIC
AL
(m/s
)
-150
-100
-50
0
50
100
150
Radar
HORA LOCAL
FIGURA 4.11 - Idem FIGURA 4.3, mas para os dias 20 e 21 de março de 2003.
-100
-50
0
50
100
-10
-5
0
5
10
-100
-50
0
50
100
ASY H
ASY D
nT
08 12 16 20 00 04 08-10
-5
0
5
10
IMF Bz
nT
HORA LOCAL (77°W)
SYM D20-21/MAR/2003
SYM H
nT
FIGURA 4.12 – Curvas representativas dos índices ASY/SYM e de IMF-Bz, para os
dias 20-21/03/2003.
83
4.3 Comentários
Nos gráficos anteriores, o que se observa em geral é uma boa concordância entre
as técnicas em horários próximos ao crepúsculo, e uma concordância menor em outros
horários.
O principal objetivo de desenvolver as técnicas de cálculo de velocidade a partir
de dados da Digissonda, foi o de conseguir bons dados em quaisquer situações.
Algumas vezes, não há fontes refletoras suficientes para os cálculos do DDAV,
principalmente nas medidas mais antigas. Isso ocorre porque ou os parâmetros de
sondagem nem sempre são apropriados ou porque a ionosfera se apresenta muito calma
para a técnica de interferometria Doppler, utilizada pelo instrumento. Então, as técnicas
apresentadas no Capítulo 2 possibilitam a obtenção de dados de velocidade do plasma
ionosférico. Cabe lembrar que esses não representam dados de velocidade de deriva
eletromagnética tais como os fornecidos pelo radar de espalhamento incoerente.
Contudo, sabendo interpretá-los, eles podem dar uma boa noção dos movimentos do
plasma ionosférico da região F.
Os dados de deriva aparente obtidos com a Digissonda mostraram muito boa
concordância com os dados de deriva eletromagnética medidos pelo radar de
espalhamento incoerente em eventos de atividade magnética perturbada, conforme se
observa nas FIGURAS 4.8 e 4.12. Tal fato torna as medidas de deriva das Digissondas
bastante confiáveis, durante eventos de períodos magneticamente perturbados e
possibilita, portanto, a sua utilização para estudá-los.
84
85
CAPÍTULO 5
RESULTADOS II: MODELAGEM DE DERIVA E VENTOS
5.1 Introdução
As ionossondas digitais (bem como as analógicas) utilizam o princípio de
reflexão crítica da camada de plasma, conforme já foi visto no Capítulo 2. Portanto, as
suas sondagens estendem-se da base da região F até a região de seu pico de densidade
eletrônica. Já o radar de espalhamento incoerente pode sondar regiões abaixo e acima
do pico de densidade eletrônica.
As medidas de velocidade de deriva ionosférica efetuadas pelas ionossondas
digitais trazem as contribuições das reações químicas de produção e perda de pares íon-
elétron que ocorrem na base da camada F e de processos de difusão do plasma
ionosférico ao longo das linhas de campo geomagnético. Logo, não representam
somente a velocidade de deriva eletromagnética E × B – que para nossos estudos é
importante, dado que se deseja aferir o comportamento dos campos elétricos da região F
ionosférica – e, por isso são denominadas medidas de velocidade aparente (Scali et alii,
1995a e b; Bertoni, 1998). O radar de espalhamento incoerente, devido ao seu princípio
de funcionamento, mede a velocidade de deriva eletromagnética.
Como foi visto no Capítulo 4, as curvas de velocidade apresentadas pelos dois
instrumentos apresentam boa concordância em horários próximos ao pôr-do-sol e em
períodos magneticamente perturbados. Portanto, há faixas de horários nas quais as
Digissondas fornecem velocidades bem próximas às velocidades de deriva
eletromagnética, assim como há faixas de horário em que ocorrem discordâncias entre
elas.
Um dos objetivos desse trabalho foi o de criar técnicas de obter valores de
velocidade vertical de deriva, a partir das medidas de velocidade de deriva aparente e
86
ionogramas registrados pelas ionossondas digitais, que fossem próximos aos da
velocidade vertical de deriva eletromagnética do plasma ionosférico.
Várias soluções foram experimentadas e não deram resultados satisfatórios.
Então, optou-se posteriormente pela utilização do modelo SUPIM, que devido à sua
sofisticação e à experiência do grupo com ele (ver, por exemplo, Souza, 1997 e Souza et
alii, 2000), foi o mais indicado como uma boa ferramenta para a busca de resultados
que permitissem analisar de modo mais bem embasado do ponto de vista teórico e
metodológico. Teoricamente possui o conjunto completo de equações diferenciais, tal
como já foi tratado no Capítulo 3, e metodologicamente porque as comparações de três
diferentes parâmetros – foF2, hmF2 e isolinhas de freqüência, como será visto à frente –
delimitava o problema e não possibilitava a existência de múltiplas soluções, mas sim,
uma só que otimizava a concordância dos três parâmetros.
Souza (1997), em seu trabalho de doutorado, fez uso do modelo SUPIM. Ele
comparava as saídas de foF2 e hmF2 do modelo com as observações e conforme
houvesse ou não concordância entre elas ia modificando a curva dos ventos. As curvas
de foF2 e hmF2 usadas nas comparações eram médias sobre medidas feitas por
ionossondas em Fortaleza (3.8°S, 38°O) e Cachoeira Paulista (23°S, 45°O) durante
períodos de verão, inverno e equinócio, em baixa e alta atividade solar.
O procedimento utilizado aqui foi baseado no trabalho de Souza (1997),
consistindo em modificar manualmente as curvas de velocidade de deriva e dos ventos
meridionais em sucessivas rodadas, até que se apresentasse boa concordância entre
observações e modelagens. Os parâmetros de observação comparados com os das saídas
eram foF2 e hmF2, de maneira similar ao trabalho de Souza (1997).
Além de foF2 e de hmF2, comparou-se também um outro importante parâmetro
de observação: as isolinhas de freqüência. Elas mostram o comportamento de cada
freqüência de sondagem ao longo do dia e, portanto, comparar as isolinhas observadas
com as isolinhas geradas pelo SUPIM permite-nos fazer uma avaliação sobre a
simulação de toda a região-F, desde sua base até sua parte superior, passando inclusive
87
pelo pico de densidade eletrônica. Assim, temos um parâmetro a mais para nos garantir
que as simulações estão ou não realísticas, pois, se o perfil vertical de densidade
eletrônica de toda a camada está bem simulado, as isolinhas devem mostrar boa
concordância da mesma forma que hmF2 e foF2.
Souza trabalhou com médias de períodos e aqui se trabalhou com dias
separados. Souza, ainda, utilizava como entrada derivas calculadas pelo método de
Batista et alii (1986). Aqui, as derivas se basearam em medidas diretas de radar ou
Digissonda, dependendo da disponibilidade.
Inicialmente, foi feito o uso de medidas de deriva registradas em Jicamarca
(12°S, 77°O) pelo seu radar de espalhamento incoerente e sua Digissonda (modelo
DPS-4). O objetivo principal de usar dados daquela localidade foi o de comparar os
valores dos arquivos de saída do modelo alimentado com as medidas obtidas pelos
instrumentos, já que eles operam na mesma localidade e, assim, validar e
conseqüentemente estender os resultados para nossas estações de observação.
Posteriormente, aplicou-se o mesmo procedimento para dados registrados na estação de
São Luís (2,6°S; 44°O).
5.2 Resultados de Modelagem Comparados a Observações
5.2.1 Ajuste da Velocidade de Ventos
O procedimento adotado para obter as curvas de foF2, hmF2 e isolinhas de
freqüência, basicamente, foi tal como se segue abaixo.
1a Etapa:
• Executava-se o modelo utilizando-se como valores de entrada as
velocidades de deriva vertical e ventos termosféricos meridionais.
Inicialmente, as velocidades de deriva vertical eram resultantes das
medidas do radar de espalhamento incoerente de Jicamarca ou de
88
medidas efetuadas pelas Digissondas de Jicamarca ou de São Luís,
através das técnicas descritas no Capítulo 2. As velocidades de vento
meridional magnético termosférico eram calculadas pelo modelo
HWM90 e, tal como no caso da velocidade de deriva vertical, não eram
modificadas manualmente.
• Utilizava-se então um programa elaborado exclusivamente para extrair
os valores de hmF2 e foF2 a partir do arquivo de saída gerado pelo
SUPIM e comparavam-se as curvas observadas e modeladas de hmF2.
• Caso não houvesse boa concordância entre essas curvas, alterava-se a
velocidade de deriva e se repetia o processo até obter boa concordância
entre as curvas de hmF2.
2a Etapa:
• Após atingir a concordância acima, passava-se a fazer alterações nas
velocidades de ventos meridionais, até atingir concordância entre as
curvas de hmF2 e foF2. Normalmente nesta fase, a velocidade de deriva
necessitava alguns reajustes, pois, conforme as mudanças que a curva de
foF2 sofria em conseqüência dos ajustes nas velocidades de ventos,
ocorriam alterações na curva de hmF2.
• Depois de sucessivos reajustes nas velocidades de vento termosférico
meridional, quando a concordância dos parâmetros hmF2 e foF2 estava
boa, chegava-se ao final da operação. Neste ponto, as isolinhas de
freqüência do modelo, da mesma forma, apresentavam boa concordância
com as observadas.
Visando facilitar o entendimento do procedimento adotado para efetuar as
modelagens, é apresentado um fluxograma na FIGURA 5.1, a seguir. Nela, são
mostradas as duas etapas descritas acima: a primeira, na qual somente a velocidade de
deriva é modificada, com o objetivo de obter concordância entre as curvas observada e
89
modelada de hmF2; e a segunda, na qual as velocidades de vento (e algumas vezes a
velocidade de deriva vertical) são modificadas para obter a concordância entre as curvas
observada e modelada de foF2 e hmF2.
FIGURA 5.1 – Fluxograma demonstrativo do procedimento utilizado para efetuar
modelagem.
Deriva E x B
SUPIM
hmF2mod ≈ hmF2obs
Fim
Deriva E x B
hmF2mod ≈ hmF2obs
foF2mod≈ foF2obs
Vento
Termosférico HWM90
Deriva Ajustada
Vento
Termosférico HWM90
Vel. Vento Ajustada
F
V
F
V
1a Etapa
2a Etapa
SUPIM
90
A boa concordância entre as curvas de hmF2 e foF2 observadas e modeladas,
em princípio, era alcançada segundo um critério visual. Entretanto, estabeleceu-se um
outro critério, visando obter uma medida do desvio existente entre aquelas curvas.
Tratava-se do cálculo da média diária do módulo do desvio relativo entre os valores
observados e modelados, conforme a seguinte expressão:
1
1o mNi i
oi i
x xN x=
−∆ = ∑ , (5.1)
onde xio e xi
m representam, respectivamente, valores observados e valores modelados e
N representa o número de termos da média para um dia inteiro de dados.
Durante todos os processos de modelagem, chegou-se à conclusão de que um
bom grau de concordância entre as curvas é alcançado quando a média diária do módulo
do desvio relativo apresenta, em geral, valores menores ou iguais a 0,06 e um grau
regular de concordância corresponde a uma média diária de aproximadamente 0,10.
É bem conhecido que os ventos termosféricos, em latitudes afastadas do equador
magnético, são responsáveis pelo transporte de ionização para maiores altitudes ao
longo das linhas do campo geomagnético, caso estejam em sentido ao equador
magnético e pelo transporte de ionização para menores altitudes, ao longo das linhas do
campo geomagnético, caso estejam em sentido aos pólos magnéticos. Então, para a
modelagem de ventos, em especial, estabeleceram-se duas faixas de latitude em torno
do equador magnético, em pontos conjugados, nas quais as suas velocidades eram
modificadas. Elas se estendiam de 2°N a 4°N e de 2°S a 4°S de latitude magnética. A
escolha de faixas próximas ao equador magnético foi feita porque Jicamarca (12°S,
77°W, dip=1°) situa-se em sua vizinhança (0,5° de latitude magnética, segundo o
IGRF2000, dados referentes a outubro/2002).
A velocidade do vento termosférico meridional varia com a altitude. Porém, esse
gradiente vertical de velocidade deixa de ser significativo a partir de uma dada altura, a
qual se estabeleceu ser em torno de 300km, no caso de Jicamarca e os pontos
91
conjugados ao norte e ao sul. Portanto, tomava-se a curva de velocidade de vento
referente a 300km de altura sobre os pontos conjugados ao norte e ao sul de Jicamarca
para, então, modificá-las e alimentar o modelo.
A componente meridional magnética de velocidade dos ventos termosféricos
dessas faixas era modelada com um algoritmo (Limiro, 2002), posteriormente adaptado
para calcular e registrar as diferenças entre o vento original e o vento modificado. Na
FIGURA 5.2 são apresentadas: a curva original de velocidade do HWM90 e a curva
modificada (Ajuste Manual). Os valores das diferenças entre as curvas eram, então,
adicionados ao vento do modelo em todas as alturas e latitudes da grade que estivessem
dentro dos limites das faixas.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200GRAFICO
HORA
****************************************
***************************************************************************************************************** ************** ************** ** ****** **** ************
*********
*******
*******
*******
********
*********
*******
***************
******** **** * ***************************************
****************
********************************************************************************************************** ************** ************** ** ****** **** *****************
***********
*******
*******
********
*********
*******
***************
******** **** * *******
FIGURA 5.2 – Exemplo demonstrativo de modelagem manual: as diferenças entre os
valores das curvas eram adicionadas às velocidades calculadas nas
rodadas do SUPIM.
Vel
ocid
ade
(m/s
)
Ajuste Manual
HWM90
92
Na FIGURA 5.3, é apresentada uma representação esquemática das faixas de
latitudes, da região intermediária e das rampas. Dentro das faixas de latitudes, as
diferenças entre vento original e modificado eram adicionadas à velocidade calculada
pelo HWM90 incorporado ao SUPIM. Havia uma faixa intermediária e duas “rampas”.
As rampas se estendiam por 5° ao norte do limite superior da faixa ao norte e 5° ao sul
do limite inferior da faixa ao sul. Na faixa intermediária e nas rampas, eram feitas
interpolações lineares nas velocidades de vento meridional.
FIGURA 5.3 – Esquema das faixas de latitudes magnéticas: entre 2 e 4°N e entre 2 e
4°S, os ventos eram modelados; nas rampas (5° de extensão) e entre as
faixas, as velocidades são interpoladas com os valores de deltas de
dentro das faixas.
No caso do equador magnético, os ventos transequatoriais não têm influência
sobre o deslocamento vertical da camada ionizada, pois a inclinação magnética das
linhas do campo é nula. Entretanto, podem influenciar a redistribuição de ionização por
arrasto ao longo delas, criando assimetrias na densidade eletrônica/iônica com relação
ao equador magnético.
93
A deriva eletromagnética vertical na região do equador magnético é a
responsável pelo deslocamento vertical da camada ionizada, sendo decisiva para a
existência do “efeito fonte”, o qual, juntamente com a difusão de plasma ao longo das
linhas de campo e a aceleração da gravidade, explica a existência da anomalia de
Appleton ou anomalia de ionização equatorial. Por essa razão, o parâmetro hmF2 é mais
sensível a variações na velocidade de deriva vertical sobre o equador magnético do que
a variações nos ventos termosféricos transequatoriais. Entretanto, como hmF2 é a altura
do pico de densidade eletrônica da região-F, dada a influência na redistribuição de
ionização que os ventos transequatoriais podem causar, eles certamente podem
influenciar também o movimento vertical aparente de hmF2.
5.2.2 Ajuste da Velocidade de Deriva Vertical
Os nossos estudos de modelagem de deriva iniciaram-se com dados registrados
no Rádio Observatório de Jicamarca, Peru. Dispunha-se de alguns períodos com
medidas simultâneas de seu radar de espalhamento incoerente e de sua Digissonda.
Era possível então utilizar três diferentes opções para a velocidade de deriva de
entrada do modelo: a) a velocidade de deriva E×B medida pelo radar de espalhamento
incoerente; b) a velocidade medida pela Digissonda; c) a velocidade calculada pelo
modelo de Scherliess e Fejer (1999), incorporado ao SUPIM.
Considerou-se, então, que se fossem utilizadas como entrada para o modelo
SUPIM, as medidas de velocidade de deriva do radar, as suas saídas mostrariam
resultados mais concordantes com os dados de foF2, hmF2 e isolinhas de freqüência das
observações efetuadas pela Digissonda do que as saídas utilizando os outros conjuntos
de velocidades.
Após rodar o modelo com a velocidade de deriva do radar como entrada,
observou-se que as curvas de hmF2 e foF2 não apresentavam concordância. Mesmo
depois de rodar o modelo com as velocidades de entrada (medidas de Digissonda e do
94
modelo de deriva de Scherliess e Fejer), não foram geradas saídas que apresentassem
concordância com os dados observados.
Essas discordâncias, de certa forma, não são tão surpreendentes, partindo-se do
fato de que todo modelo computacional tem algumas restrições, ou algumas
simplificações. Atualmente, devido ao aperfeiçoamento da capacidade de
processamento e memória das máquinas, os modelos tendem a ser, obviamente,
superiores aos de 20 anos atrás, por exemplo. Isto é, as situações consideradas em uma
dimensão apenas, passaram a duas e agora todo modelo que tente realmente simular a
realidade deve considerar três dimensões. Porém, isso só não basta. Termos de segunda
e terceira ordem também devem ser levados em conta nas soluções dos sistemas de
equações diferenciais, para garantir que pequenas flutuações em densidade, por
exemplo, tenham seu papel estudado.
A velocidade de deriva eletromagnética possui um gradiente vertical que é
simulado de maneira simplificada pelo SUPIM. São consideradas regiões com limites
nas altitudes de ápice (AA) das linhas de campo sobre o equador magnético, conforme
se vê na Tabela 5.1 a seguir.
95
TABELA 5.1 – Regiões de simulação de perfil vertical de velocidades de deriva no
SUPIM.
Regiões (km) Deriva
AA < 100 Deriva nula
100<AA<200 Interpolações
200<AA<600
Modelo de deriva de Jicamarca, de Scherliess e Fejer (1999),
ou ainda, no nosso caso, medidas diretas de velocidade – sem
alterações com a altura
600<AA<3000 Modelo de deriva de Arecibo – velocidade constante com
altura
3000<AA<4000 Interpolações
4000<AA<5000 Deriva nula
Como podemos notar na tabela acima, entre 200 e 600km de altura – região de
maior interesse em nosso trabalho – não há efetiva variação de velocidade na direção
vertical, isto é, as medidas de velocidade de entrada são as mesmas para toda essa
região. Se observarmos o perfil vertical de velocidade medido pelo radar de
espalhamento incoerente (ver o Capítulo 2), perceberemos que a consideração acima é
válida para boa parte do dia, porém para alguns horários, não.
Portanto, cogitou-se a hipótese de que se utilizassem, como dados de entrada, os
valores de deriva para cada altura sondada pelo radar, poderíamos provavelmente obter
curvas de isolinhas de freqüência, hmF2 e foF2 com valores mais próximos aos das
observações, principalmente de isolinhas de freqüência, porque, conforme se verá
96
adiante nos gráficos, as que o modelo gera, apesar de apresentarem comportamento
próximo ao das observadas, não concordam inteiramente. Seria necessário, então,
modificar o código fonte do modelo de modo a incorporar os perfis verticais de
velocidade levantados pelo radar – obviamente não é trivial, dadas as dificuldades de se
conseguir perfis sem lacunas e sem a presença de ruídos, porém, mesmo assim seria
factível, podendo se tratar essa de uma tarefa viável para próximos estudos com
modelagem.
Então, em decorrência disso tudo, as derivas também eram modeladas para,
juntamente com os ventos, influenciar as saídas do modelo e buscar obter concordância
entre as curvas de isolinhas de freqüência, foF2 e hmF2 observadas e as curvas dos
mesmos parâmetros obtidos a partir das saídas. Com isso, obtinha-se uma velocidade de
deriva corrigida em relação às derivas medidas pelas Digissondas de tal maneira que, se
não representavam exatamente a deriva eletromagnética, elas se mostraram como uma
alternativa para que o modelo SUPIM simulasse os parâmetros observados pelas
Digissondas e, em conseqüência, simulasse as situações encontradas no plasma
ionosférico.
Todas as modificações feitas nas velocidades dos ventos ou da deriva eram
baseadas no modelo HWM90 e nas curvas de deriva fornecidas pelos instrumentos.
5.3 Resultados
Diante de todas as considerações anteriores, os gráficos apresentados a seguir
mostram que as derivas verticais e a componente meridional magnética da velocidade
do vento termosférico precisam ser diferentes das derivas observadas pela Digissonda e
radar e dos ventos calculados pelo HWM90.
Foram analisados alguns dias representativos de vários períodos com medidas
simultâneas do radar de espalhamento incoerente e da Digissonda de Jicamarca. Na
Tabela 5.2, são listados os dias que são apresentados neste capítulo.
97
Além de dados de Jicamarca, também foram feitas modelagens para dados da
Digissonda DGS-256 de São Luís para os mesmos dias. Nem sempre havia dados
exatamente nos mesmos dias. Nessas situações, pegou-se um dia próximo com
características semelhantes, para proceder às modelagens.
TABELA 5.2 – Tabela de dias utilizados nas modelagens.
ANO MÊS DIA
2001 setembro 18-19
2001 dezembro 11
2002 abril 17
2002 outubro 15-16
5.3.1 Jicamarca
Jicamarca está situada bastante próxima ao equador magnético. De acordo com
o modelo International Geomagnetic Reference Field (IGRF2000), sua latitude
magnética é de aproximadamente 0,5°N e sua declinação magnética é de
aproximadamente 0,3°E – bem pequena, comparada à declinação magnética de nossas
estações, São Luís, por exemplo, possui declinação em torno de 19°O.
As diferentes características geomagnéticas dessas estações certamente se
refletem em seus valores de deriva e ventos. Batista et alii (1986), por exemplo,
apontaram a dependência do horário de aparecimento do pico pré-inversão com a
declinação magnética, comparando dados das estações de Fortaleza e Huancayo (Peru).
Abdu et alii (1981) relacionaram a influência da declinação magnética sobre o
desenvolvimento do campo elétrico de dínamo da região-F e a ocorrência de Spread-F.
98
Na Tabela 5.3 abaixo, são listados os valores do campo geomagnético, suas
componentes, os ângulos de inclinação e declinação magnética nas duas localidades,
para 300km de altura. Dessa tabela, observa-se que a latitude magnética de Jicamarca é
de 0,5°N, conforme mencionado logo acima, e a de São Luís, 1,3°S. Além disso, os
ângulos de declinação magnética são bem diferentes nas duas estações. A componente
meridional do vento termosférico será maior e, portanto, mais efetiva sobre Jicamarca
do que sobre São Luís. Ou seja, a redistribuição de ionização sobre Jicamarca será mais
influenciada pelos ventos termosféricos transequatoriais do que sobre São Luís.
TABELA 5.3 – Valores do IGRF2000 para Jicamarca e São Luís (ano ref.: 2002).
Local LATI B (nT)
B-Horiz. (nT)
B-Norte (nT)
B-Leste (nT)
B-Vert. (nT)
DIP DEC
S.L -2.60 22914 22888 21564 -7671 -1096 -2.6 -19.6
JI -12.00 22863 22860 22860 56 362 1.0 0.3
Na FIGURA 5.4, são apresentadas as curvas de hmF2, foF2, velocidade de deriva,
velocidades de ventos meridionais magnéticos sobre a estação e nos pontos conjugados ao
norte e ao sul, referentes ao dia 18/09/2001 antes das modelagens. Na FIGURA 5.5,
mostram-se as mesmas curvas após o processo de modelagem. E na FIGURA 5.6, são
apresentadas as isolinhas observadas e modeladas referentes ao mesmo dia.
De modo geral, a simulação para essa data se apresenta razoável. Nesse dia o
índice Ap foi igual a 11,0 e a soma de Kp igual a 16+, ou seja, foi um dia de atividade
magnética relativamente calma. Os modelos ionosféricos trabalham bem para dias
magneticamente calmos, pois, durante a ocorrência de tempestades magnéticas, as
concentrações de N2 e O são alteradas (Paula, 1987; Prölss, 1987). Tais alterações não
estão previstas em modelos de atmosfera neutra tais como o MSIS86, incorporado pelo
SUPIM. Entretanto, mais à frente, foi feita uma simulação para um dia magneticamente
perturbado, para investigar como o modelo reagiria a esse tipo de situação.
99
-60
0
60
120
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16 20 24-60
-30
0
30
60
HMW90 - Supim (08°S,77°W) (12°S,77°W) (16°S,77°W)
HWM90 (08°S,77°W) (16°S,77°W)
VEL
OC
IDAD
E (m
/s)
JICAMARCA18/09/2001
DPS-4 <∆>=0,47
<∆>=0,44
SUPIM
hm
F2 (k
m)
0
4
8
12
16
20
F10.7 =205,7F10.7A=207,5Ap = 11,0 fo
F2 (M
Hz)
DERIVA VERTICAL DIGISSONDA
HORA LOCAL
FIGURA 5.4 – Curvas de hmF2, foF2 com deriva vertical dhF0.80/dt e ventos do
HWM90 antes de se fazerem as modelagens.
100
-60
0
60
120
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16 20 24-60
-30
0
30
60
HMW90 - Supim (08°S,77°W) (12°S,77°W) (16°S,77°W)
HWM90 (08°S,77°W) (16°S,77°W)
VE
LOC
IDA
DE
(m/s
)
JICAMARCA18/09/2001
DPS-4<∆>=0,10
<∆>=0,11
SUPIM
hm
F2 (k
m)
0
4
8
12
16
20F10.7 =205,7F10.7A=207,5Ap = 11,0
foF2
(MH
z)
DERIVA VERTICAL RADAR
HORA LOCAL
FIGURA 5.5 – Gráfico que contém as curvas dos parâmetros (observados e modelados)
hmF2, foF2, deriva e ventos meridionais magnéticos ao norte e ao sul
de Jicamarca.
101
0
200
400
600
800
0
200
400
600
800
00 04 08 12 16 20 00
ALTURA (km)
JICAMARCA18/09/2001
ISOLINHAS DPS-4ALTURA REAL
Frequências (MHz) 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0
ISOLINHAS SUPIMDERIVA MODELADAVentos Modificados
HORA LOCAL
FIGURA 5.6 – Curvas de isolinhas de freqüência de reflexão: painel superior apresenta
dados observados por Digissonda e painel inferior, a saída do SUPIM.
102
Na FIGURA 5.5, é possível perceber-se que há concordância regular entre as
curvas de hmF2 e foF2 modelada e observada, para todo o dia 18/09/2001.
No painel inferior são mostradas as curvas de velocidade de deriva e ventos. Tal
como Souza (1997) observou em suas modelagens, o gradiente de ventos do HWM90
precisou ser aumentado para obter os resultados apresentados no gráfico.
Na FIGURA 5.6, são apresentadas as isolinhas de freqüência ao longo do dia.
No painel superior temos as observações e no inferior as modelagens. De modo geral, as
curvas demonstram uma boa concordância e, portanto, pode-se dizer que a simulação
foi apropriada.
Outro ponto interessante é que a simulação não consegue reproduzir
determinadas estruturas na região intermediária de freqüências e essa característica pode
ser mais uma evidência do modo como o perfil vertical de velocidade de deriva é
simulado pelo modelo.
As velocidades de deriva são comparadas na FIGURA 5.7, a seguir. Nela, é
possível observar as velocidades de deriva da Digissonda (DPS-4), do radar e a deriva
modelada. Utilizou-se como ponto de partida a velocidade de deriva vertical obtida com
dados da Digissonda, mais especificamente, a velocidade por meio da técnica dhF0.80/dt.
Na FIGURA 5.7, pode-se perceber que a velocidade modelada apresenta um
comportamento semelhante ao da velocidade de deriva vertical medida pelo radar de
espalhamento incoerente. Essa similaridade no comportamento dessas duas curvas é um
aspecto positivo que assegura confiabilidade à velocidade de deriva vertical modelada,
dado que as medidas feitas pelo radar são representativas da deriva eletromagnética e,
portanto, a deriva vertical modelada pode ser considerada bastante próxima à velocidade de
deriva eletromagnética vertical. Outra característica perceptível no gráfico da FIGURA 5.7,
é que a velocidade de deriva modelada apresenta valor de pico pré-inversão um pouco
menor com relação àqueles apresentados pelas outras curvas de velocidade e algumas
flutuações entre 8h e 18h em relação à velocidade medida pelo radar.
103
-120
-60
0
60
120
-120
-60
0
60
120-120
-60
0
60
120 VlosDPS-4
JICAMARCA18/09/2001
V
ELO
CID
AD
E V
ER
TIC
AL
(m/s
)
RADAR
0 4 8 12 16 20 24-120
-60
0
60
120
DERIVA MODELADA
HORA LOCAL (77°W)
dhF0.80/dt
FIGURA 5.7 – Curvas de velocidade de deriva obtidas com a Digissonda, o radar e a
modelagem.
Na FIGURA 5.8, são apresentadas as curvas para o dia 19/09/2001. Nelas, observamos
uma melhor concordância entre os parâmetros da saída do modelo e das observações.
A curva de hmF2 do modelo apresenta-se bem próxima da observada, somente
na faixa de horários entre 10 e 15h elas se distanciam um pouco, porém, ainda assim,
podendo ser consideradas razoavelmente próximas. Outro aspecto interessante é a
simulação quase perfeita da ocorrência de uma camada F3 em torno de 10h.
Na FIGURA 5.9, as isolinhas apresentam também uma concordância muito boa,
sendo possível, inclusive, observar a subida das freqüências mais altas durante o evento da
camada F3 e pouca alteração na região de freqüências mais baixas. Do mesmo modo que na
FIGURA 5.6, algumas estruturas (as pequenas flutuações em torno de 10h e 14h) não são
simuladas.
104
-60
0
60
120
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16 20 24-60
-30
0
30
60
HMW90 - Supim (08°S,77°W) (12°S,77°W) (16°S,77°W)
HWM90 (08°S,77°W) (16°S,77°W)
VE
LOC
IDA
DE
(m/s
)
<∆>=0,06
Deriva Modelada e Ventos modificados
JICAMARCA19/09/2001
DPS-4 SUPIM
hm
F2 (k
m)
0
4
8
12
16
20F10.7 =200,6F10.7A=208,1Ap = 9,0
<∆>=0,05 foF2
(MH
z)
DERIVA VERTICAL EFETIVA
HORA LOCAL
FIGURA 5.8 – Idem FIGURA 5.5, mas para o dia 19/09/2001.
105
0
200
400
600
800
0
200
400
600
800
00 04 08 12 16 20 00
JICAMARCA19/09/2001
ISOLINHAS DPS-4ALTURA REAL
ISOLINHAS SUPIMDERIVA MODELADAVentos Modificados
HORA LOCAL
FIGURA 5.9 – Idem FIGURA 5.5, mas para o dia 19/09/2001.
106
Na FIGURA 5.10 são apresentadas as curvas de velocidade de deriva da mesma
forma que na FIGURA 5.7. Uma vez mais podemos perceber que a velocidade
modelada se assemelha mais à velocidade medida pelo radar.
As velocidades que a Digissonda exibe são mais flutuantes ao longo do dia,
pois, refletem todo um conjunto de contribuições de origem química e dinâmica que
agem sobre a camada. Foram mostradas, para efeito de comparação, as velocidades na
linha de visada (Vlos) e dhF0.80/dt. Vlos apresenta valores positivos durante o dia,
concordando melhor com o radar, porém, dhF0.80/dt apresenta valores um pouco
melhores na região do pico pré-inversão.
-120
-60
0
60
120
-120
-60
0
60
120-120
-60
0
60
120 VlosDPS-4
JICAMARCA19/09/2001
VE
LOC
IDA
DE
VE
RTI
CA
L (m
/s)
RADAR
0 4 8 12 16 20 24-120
-60
0
60
120
DERIVA MODELADA
HORA LOCAL (77°W)
dhF0.80/dt
FIGURA 5.10 – Idem FIGURA 5.7, mas para o dia 19/09/2001.
Na FIGURA 5.11, são apresentados os perfis de densidade ao longo do dia
19/09/2001, sendo que, no painel superior, mostram-se os dados observados pela
107
Digissonda e no painel inferior, os dados de saída do SUPIM. Observa-se uma boa
concordância na distribuição de densidades para esse dia.
100
200
300
400
500
600
700
800
0 4 8 12 16 20 24
Freqs. (MHz)ALTURA (km)
HORA LOCAL
0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
FIGURA 5.11 – Perfilogramas referentes ao dia 19/09/2001. No painel superior: dados
observados. Painel inferior: dados modelados.
Da FIGURA 5.11, podemos perceber que o modelo gera perfis de densidade
eletrônica bastante próximos aos apresentados pela Digissonda. As palhetas de cores
não são exatamente iguais, porém, se nos ativermos aos valores das freqüências
apresentadas em ambos os painéis perceberemos que a distribuição segue um padrão
bastante similar.
A Digissonda gera perfis do topo da camada graças a um modelo incorporado ao
software de redução dos ionogramas (Huang e Reinisch, 2001), o SAO-Explorer. Então,
108
acima do pico de densidade o modelo “completa” o perfil, segundo uma camada do tipo
Chapman-α, com base na declividade da curva do perfil de altura real que se estende da
base da camada até a altura do pico de densidade eletrônica (hmF2).
Na FIGURA 5.12, são apresentados os perfis de densidade obtidos com a
Digissonda DPS-4 (painel superior) e pelo SUPIM (painel inferior), para seis horários
diferentes (hora local) do dia 19/09/2001: 0h, 4h, 8h30, 12h, 16h e 20h.
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16
JICAMARCADPS-4
19/09/2001
Freqüência (MHz)
ALT
UR
A (k
m)
LT 00 00 04 00 08 30 12 00 16 00 20 00
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16
LT 00 00 04 00 08 30 12 00 16 00 20 00
JICAMARCASUPIM
19/09/2001
Freqüência (MHz)
ALT
UR
A (k
m)
FIGURA 5.12 – Perfis de densidade para diferentes horários: calculados pela
Digissonda (acima); calculados pelo SUPIM (abaixo).
109
É possível notar nos gráficos da DPS-4, perfis cuja região acima do pico de
densidade eletrônica da camada demonstram decréscimo mais acentuado e no SUPIM,
decréscimos menos acentuados. Observemos, por exemplo, os perfis de 0 e 4h do
SUPIM, os quais a partir do pico de densidade eletrônica decaem pouco até a altura
limite superior (fixada em 735km para as simulações), se comparados com os
respectivos perfis providos pela Digissonda. Entretanto, a região dos perfis mais
importante para nós, neste trabalho, é a que se estende da base da região F até seu pico
de densidade eletrônica. Nessa região, modelo e observações demonstram boa
concordância, sendo essa, inclusive, a região representada nas isolinhas de freqüência.
Outro aspecto curioso nos mesmos gráficos é a presença de uma estratificação
extra na simulação do modelo. Convém lembrar que a Digissonda só está apta a fazer
observações até a região do pico de densidade eletrônica da camada e, conforme foi
mencionado há pouco, o perfil da DPS-4 para a região superior é modelado. Essa
estratificação poderia estar lá presente e não ser observada por duas razões: a) caso o
perfil dessa região fosse modelado de outra maneira que não por uma camada do tipo
Chapman-α; b) por possuir uma freqüência menor do que a do pico de densidade
eletrônica (foF2) e, portanto, fora do alcance do instrumento. Para desfazer essa dúvida
seria necessário observar simultaneamente a mesma região com o radar ou com uma
sonda a bordo de satélite.
Na FIGURA 5.13, são mostradas as simulações para o dia 11/12/2001. É um dia
também de pouca atividade magnética (Ap = 4) e as curvas mostram uma concordância
razoável. Os ventos apresentam gradientes latitudinais menores entre si, isto é o vento
ao norte e o vento ao sul sopram com pouca diferença de velocidade na maior parte do
dia. Porém, as curvas dos ventos efetivos na faixa de horários entre 11 e 17h se
distanciam das curvas dos ventos originais do modelo HWM90.
110
-60
0
60
120
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16 20 24-60
-30
0
30
60
HMW90 - Supim (08°S,77°W) (12°S,77°W) (16°S,77°W)
HWM90 (08°S,77°W) (16°S,77°W)
VEL
OC
IDAD
E (m
/s)
<∆>=0,06
Deriva Modelada e Ventos modificados
JICAMARCA11/12/2001
DPS-4 SUPIM
hm
F2 (k
m)
0
4
8
12
16
20F10.7 = 213,9F10.7A = 216,7Ap = 4,0
<∆>=0,07
foF2
(MH
z)
DERIVA VERTICAL EFETIVA
HORA LOCAL
FIGURA 5.13 – Idem FIGURA 5.5, mas para o dia 11/12/2001
111
0
200
400
600
800
0
200
400
600
800
00 04 08 12 16 20 00
ALT
UR
A (k
m)
JICAMARCA11/12/2001
ISOLINHAS DPS-4ALTURA REAL
ISOLINHAS SUPIMDERIVA MODELADAVentos Modificados
HORA LOCAL
FIGURA 5.14 – Idem FIGURA 5.5, mas para o dia 11/12/2001.
112
Como já mencionado anteriormente, o modelo SUPIM em desenvolvimento não
inclui os efeitos provenientes de tempestades magnéticas. Entretanto, procedeu-se a
uma simulação para um dia magneticamente perturbado. Trata-se do dia 17/04/2002,
quando o índice Ap diário chegou a 62,0. A curva de velocidade de deriva medida pelo
radar de Jicamarca, a qual foi utilizada como base para a modelagem, apresentou-se
bastante flutuante, demonstrando indícios de penetração de campos elétricos de altas
para baixas latitudes magnéticas.
Apesar de ser um dia com alta atividade magnética, o resultado das modelagens
foi surpreendentemente bom, conforme se observa na FIGURA 5.15. Tanto as variações
nas curvas de hmF2 como nas de foF2, incluindo-se as isolinhas de freqüência,
demonstram muito boa concordância. As curvas de vento também apresentam
características que sugerem um indício de que o padrão de ventos sofreu alterações em
relação ao do modelo HWM90. Por exemplo, entre 8 e 12h, aparentemente há uma
inversão na direção em que os ventos sopram, podendo ser interpretado como um
padrão de ventos que sopram dos pólos para o equador devido ao aquecimento Joule na
região auroral.
As isolinhas de freqüência, na FIGURA 5.16, com exceção do horário entre 0 e
1h, mostram muito boa concordância, inclusive na simulação das flutuações no alto da
camada próximo ao pico de densidade eletrônica.
Na FIGURA 5.17, são apresentados os perfis de densidade da Digissonda e do
SUPIM, ao longo do dia 17/04/2002.
113
-60
0
60
120
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16 20 24-60
-30
0
30
60
HMW90 - Supim (08°S,77°W) (12°S,77°W) (16°S,77°W)
HWM90 (08°S,77°W) (16°S,77°W)
VE
LOC
IDA
DE
(m/s
)
<∆>=0.06
Deriva Modelada e Ventos modificados
JICAMARCA17/04/2002
DPS-4 SUPIM
hm
F2 (k
m)
0
4
8
12
16
20
<∆>=0.06
foF2
(MH
z) F10.7 =195.0F10.7A=184.2Ap = 62.0
HORA LOCAL
DERIVA VERTICAL EFETIVA
FIGURA 5.15 – Idem FIGURA 5.5, mas para o dia 17/04/2002.
114
0
200
400
600
800
0
200
400
600
800
00 04 08 12 16 20 00
JICAMARCA17/04/2002
ISOLINHAS DPS-4ALTURA REAL
ISOLINHAS SUPIMDeriva e Ventos
Modelados
ALT
UR
A (k
m)
HORA LOCAL
FIGURA 5.16 – Idem FIGURA 5.5, mas para o dia 17/04/2002.
115
100
200
300
400
500
600
700
800
0 4 8 12 16 20 24
Freqs. (MHz)ALTURA (km)
HORA LOCAL
0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
FIGURA 5.17 – Perfis de densidade eletrônica ao longo do dia 17/04/2002. Painel
superior: dados observados por Digissonda. Painel inferior: dados de
saída do SUPIM.
Na FIGURA 5.17 observa-se boa correspondência entre os perfis de densidade
eletrônica, referentes ao dia 17/04/2002, gerados pelo SUPIM e os observados pela
Digissonda. Não são totalmente iguais, mas guardam boa semelhança. Ou seja, após os
ajustes na velocidade de deriva e nas velocidades dos ventos dos pontos conjugados ao
norte e ao sul, o modelo SUPIM tem condições de simular as curvas de hmF2, foF2,
isolinhas de freqüência e perfis de densidade eletrônica com uma boa aproximação.
Na FIGURA 5.18 são mostradas as curvas dos índices magnéticos ASY/SYM e
a componente vertical do campo magnético interplanetário (IMF-Bz). Na FIGURA
116
5.19, são exibidas as curvas de velocidade de deriva obtidas com a Digissonda, o radar e
através da modelagem.
-200-150-100-50
050
100
-30-20-10
0102030
-200
-150
-100
-50
0
50
100
ASY H
ASY D
n
T
00 04 08 12 16 20 00-30-20-10
0102030
IMF Bz
nT
HORA LOCAL (77°W)
17/ABR/2002
SYM H
nT
FIGURA 5.18 – Curvas de variação dos índices ASY/SYM e da componente IMF-Bz,
durante o dia 17/04/2002 – um dia magneticamente perturbado.
-120
-60
0
60
120
-120
-60
0
60
120-120
-60
0
60
120 VlosDPS-4
JICAMARCA17/04/2002
VE
LOC
IDA
DE
VE
RTI
CA
L (m
/s)
RADAR
0 4 8 12 16 20 24-120
-60
0
60
120
DERIVA MODELADA
HORA LOCAL (77°W)
dhF0.80
/dt
FIGURA 5.19 – Velocidades de deriva obtidas com Digissonda (DPS-4), radar e a deriva
modelada para entrada no SUPIM, referentes ao dia 17/04/2002.
117
Observando-se os gráficos das Figuras 5.18 e 5.19, é possível estabelecer uma
relação entre o comportamento da deriva e as curvas dos índices. A componente Bz do
campo magnético interplanetário se inverte seguidas vezes, mostrando um
comportamento flutuante entre aproximadamente 4 e 14h locais (meridiano de
Jicamarca, 77°W). A velocidade de deriva medida pelo radar acompanha bem
proximamente esse comportamento, havendo inversão de seu sentido sucessivas vezes,
na mesma faixa de horários.
Quanto aos dados registrados pela DPS-4, nota-se que a velocidade obtida pela
técnica dhF0.80/dt acompanha o comportamento da velocidade de deriva do radar. Na
faixa de horários que se estende de 6 a ~21h, a concordância é muito boa, conquanto a
amplitude da curva da DPS-4 seja pouco menor, os picos todos aparecem quase sempre
em horários coincidentes. O mesmo não se pode afirmar da velocidade na linha de
visada, a qual se apresenta ruidosa e com picos um pouco deslocados. Nesse dia, as
velocidades deduzidas pela técnica dhF0.80/dt estão melhores e, devido à sua
concordância tanto com a velocidade de deriva medida pelo radar como com a
velocidade modelada podem, portanto, ser consideradas mais confiáveis do que a
velocidade Vlos.
Na próxima simulação, apresentada na FIGURA 5.20 a seguir, como não foram
feitas medidas de velocidade de deriva por meio do radar de espalhamento incoerente de
Jicamarca, só é possível comparar a velocidade de deriva vertical modelada com as
velocidades deduzidas das técnicas dhF0.80/dt e Vlos, a partir de dados registrados pela
Digissonda daquela localidade.
118
-60
0
60
120
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16 20 24-60
-30
0
30
60
<∆>=0.06
HMW90 - Supim (12°S,77°W) (12°S,77°W) (12°S,77°W)
HWM90 (08°S,77°W) (16°S,77°W)
VEL
OC
IDAD
E (m
/s)
<∆>=0.04
Deriva Modelada e Ventos modificados
JICAMARCA15/10/2002
DPS-4 SUPIM
hm
F2 (k
m)
0
4
8
12
16
20F10.7 =175.7F10.7A=171.5Ap = 18.0
foF2
(MH
z)
DERIVA VERTICAL EFETIVA
HORA LOCAL
FIGURA 5.20 – Idem FIGURA 5.5, mas para o dia 15/10/2002.
119
0
200
400
600
800
0
200
400
600
800
00 04 08 12 16 20 00
JICAMARCA15/10/2002
ALT
UR
A (k
m)
ISOLINHAS DPS-4ALTURA REAL
ISOLINHAS SUPIM15/10/2002
Deriva e ventosmodificados
HORA LOCAL
FIGURA 5.21 – Idem FIGURA 5.5, mas para o dia 15/10/2002.
120
-120
-60
0
60
120
-120
-60
0
60
120-120
-60
0
60
120 VlosDPS-4
JICAMARCA15/10/2002
VE
LOC
IDA
DE
VE
RTI
CA
L (m
/s)
dhF0.80/dtDPS-4
0 4 8 12 16 20 24-120
-60
0
60
120
DERIVA MODELADA
HORA LOCAL (77°W)
FIGURA 5.22 – Velocidades de deriva obtidas com a Digissonda (painéis superior e
intermediário) e velocidade de deriva modelada para o SUPIM.
-100
-50
0
50
100
-15-10-505
1015
-100
-50
0
50
100
ASY H
ASY D
nT
00 04 08 12 16 20 00-15-10-505
1015
IMF Bz
nT
HORA LOCAL (77°W)
SYM D
15/OUT/2002
SYM H
nT
FIGURA 5.23 – Índices ASY/SYM e IMF-Bz do dia 15/10/2003.
121
Da FIGURA 5.20 observa-se um bom resultado para as curvas modeladas e
observadas, sobretudo as curvas de hmF2, onde mesmo as camadas F3 conseguem ser
bem simuladas pelo modelo. As curvas de foF2 não mostram tanta concordância,
entretanto, é possível considerar satisfatório o nível de proximidade das curvas.
Esse é um dia com atividade magnética média e, apesar da velocidade de deriva
modelada não apresentar inversões, não possui um comportamento que siga o padrão de
deriva eletromagnética do radar de espalhamento incoerente, o aumento de velocidade
em torno de 16h foi necessário para que hmF2 da saída do modelo pudesse alcançar os
valores observados e, observando-se a FIGURA 5.23, IMF-Bz apresenta um aumento
próximo a 16h, parecendo estar bem relacionado como aquele pico secundário. Assim,
parece bastante razoável a configuração de ventos e deriva.
5.3.2 São Luís
Dados registrados em São Luís (2,6°S; 44°O, dip = 2,6°) nos mesmos dias
apresentados na Tabela 5.2 foram processados com o objetivo de comparar as
velocidades de deriva das duas diferentes estações de observação. A localidade de São
Luís fica bem próxima ao equador magnético. De acordo com o IGRF2000, sua latitude
é de aproximadamente 1,3°S. Entretanto a sua declinação magnética é bem maior que a
de Jicamarca. Naquela localidade opera uma Digissonda modelo DGS-256, um sistema
mais antigo que o modelo DPS-4, utilizado em Jicamarca.
Todas as velocidades de deriva utilizadas como entrada para o modelo foram, é
claro, baseadas nas medidas da DGS-256. De modo geral, os resultados se repetem, ou
seja, as simulações se mostram bastante satisfatórias. E as velocidades de deriva
modeladas acabam seguindo um padrão similar ao de Jicamarca.
Nas Figuras 5.24, 5.25, 5.26 e 5.27 são apresentadas as simulações para os dias
18 e 19/09/2001 e nas Figuras 5.28 e 5.29, a seguir, são exibidas as curvas de
velocidade de deriva relativas a esses dias.
122
-60
0
60
120
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16 20 24-60
-30
0
30
60
HMW90 - Supim (08°S,77°W) (12°S,77°W) (16°S,77°W)
HWM90 (08°S,77°W) (16°S,77°W)
VE
LOC
IDA
DE
(m/s
)
<∆>=0.05
Deriva Modelada e Ventos modificados
SÃO LUIS18/09/2001
DGS-256 SUPIM
hm
F2 (k
m)
0
4
8
12
16
20
<∆>=0.05
F10.7 =205,7F10.7A=207,5Ap = 11,0
foF2
(MH
z)
DERIVA VERTICAL EFETIVA
HORA LOCAL
FIGURA 5.24 – Painéis superior e intermediário: curvas de hmF2 e foF2 observadas pela
Digissonda DGS-256 e modeladas pelo SUPIM. Painel inferior:
velocidades modeladas de deriva e ventos ao norte e ao sul da estação.
123
0
200
400
600
800
0
200
400
600
800
00 04 08 12 16 20 00
ALT
UR
A (k
m)
SÃO LUIS18/09/2001
ISOLINHAS DGS-256ALTURA REAL
Freqüências (MHz) 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0
ISOLINHAS SUPIMDeriva e Ventos
Modelados
HORA LOCAL
FIGURA 5.25 – Isolinhas de freqüência, referentes ao dia 18/09/2001.
124
-60
0
60
120
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16 20 24-60
-30
0
30
60
HMW90F (08°S,77°W) (16°S,77°W)
HMW90 - Supim (08°S,77°W) (12°S,77°W) (16°S,77°W)
HWM90 (08°S,77°W) (16°S,77°W)
VEL
OC
IDAD
E (m
/s)
<∆> = 0,10
Deriva Modelada e Ventos modificados
SÃO LUIS19/09/2001
DGS-256 SUPIM
hm
F2 (k
m)
0
4
8
12
16
20F10.7 =200,6F10.7A=208,1Ap = 9,0
<∆> = 0,11 foF2
(MH
z)
DERIVA VERTICAL EFETIVA
HORA LOCAL
FIGURA 5.26 – Idem FIGURA 5.24, mas para o dia 19/09/2001.
125
0
200
400
600
800
0
200
400
600
800
00 04 08 12 16 20 00
ALT
UR
A (k
m)
SÃO LUIS19/09/2001
ISOLINHAS DGS-256ALTURA REAL
ISOLINHAS SUPIMDeriva e Ventos
Modelados
HORA LOCAL
FIGURA 5.27 – Idem FIGURA 5.25, mas para o dia 19/09/2001.
126
-120
-60
0
60
120
-120
-60
0
60
120
dhF(5)/dtDGS-256
SÃO LUIS18/09/2001
VEL
OC
IDAD
E V
ERTI
CA
L (m
/s)
dhF0.80/dtDGS-256
0 4 8 12 16 20 24-120
-60
0
60
120
DERIVA MODELADA
HORA LOCAL (44°W)
FIGURA 5.28 – Velocidades de deriva aparente medidas pela Digissonda DGS-256 (painéis
superior e intermediário) e velocidade modelada para o SUPIM.
-120
-60
0
60
120
-120
-60
0
60
120
dhF(5)/dtDGS-256
SÃO LUIS19/09/2001
VEL
OC
IDAD
E V
ERTI
CA
L (m
/s)
dhF0.80/dtDGS-256
0 4 8 12 16 20 24-120
-60
0
60
120
DERIVA MODELADA
HORA LOCAL (44°W)
FIGURA 5.29 – Idem FIGURA 5.28, mas para o dia 19/09/2001.
127
As simulações dos dias 18 e 19/09/2001, estão razoáveis, há boa proximidade no
comportamento das curvas, estando um pouco melhor a do dia 18. Conforme se pode
perceber, há um certo desvio entre as curvas de foF2, das 0 às 5h do dia 19. Quanto aos
ventos, houve a necessidade de aumentar o gradiente latitudinal, distanciando-se as suas
curvas. Por exemplo, entre 8 e12h, o vento ao norte foi intensificado para soprar para
norte, enquanto o vento ao sul, foi intensificado na direção oposta. O objetivo foi de
criar uma situação de transporte de ionização para latitudes mais altas, diminuindo a
densidade eletrônica sobre o equador magnético.
Com relação às isolinhas de freqüência, da mesma forma que as simulações de
hmF2 e foF2, estão razoáveis.
Nas Figuras 5.28 e 5.29, são exibidas as velocidades de deriva aparente obtidas
com a Digissonda de São Luís, juntamente com a deriva modelada para o SUPIM.
Assim, por meio da utilização do modelo, conseguimos uma velocidade de deriva que
pode ser considerada bem próxima ao que seria a deriva eletromagnética sobre São
Luís. E, dessa forma, podemos ter uma boa noção a respeito das amplitudes e do
comportamento da velocidade de deriva eletromagnética na região-F sobre São Luís.
As próximas simulações apresentadas nas Figuras 5.30, 5.31, 5.32 e 5.33, são
referentes aos dias 15 e 16/10/2002 e nas figuras seguintes (5.34, 5.35 e 5.36) são
apresentados os perfis de densidade eletrônica e as velocidades de deriva. A
concordância entre as curvas de hmF2 e foF2 para o dia 16/10/2002 está melhor do que
a do dia 15/10/2002.
128
-60
0
60
120
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16 20 24-60
-30
0
30
60
HMW90 - Supim (08°S,77°W) (12°S,77°W) (16°S,77°W)
HWM90 (08°S,77°W) (16°S,77°W)
VE
LOC
IDA
DE
(m/s
)
<∆>=0.08
Deriva Modelada e Ventos modificados
SÃO LUIS15/10/2002
DGS-256 SUPIM
hm
F2 (k
m)
0
4
8
12
16
20
<∆>=0.07
F10.7 =175.7F10.7A=171.5Ap = 18.0
foF2
(MH
z)
DERIVA VERTICAL EFETIVA
HORA LOCAL
FIGURA 5.30 – Idem FIGURA 5.24, mas para o dia 15/10/2002.
129
0
200
400
600
800
0
200
400
600
800
00 04 08 12 16 20 00
SÃO LUIS15/10/2002
ALT
UR
A (k
m)
ISOLINHAS DGS-256ALTURA REAL
ISOLINHAS SUPIM15/10/2002
Deriva e ventosmodificados
HORA LOCAL
FIGURA 5.31 – Idem FIGURA 5.25, mas para o dia 15/10/2002.
130
-60
0
60
120
0
200
400
600
800
0 4 8 12 16 20 24-60
-30
0
30
60
HMW90 - Supim (08°S,77°W) (12°S,77°W) (16°S,77°W)
HWM90 (08°S,77°W) (16°S,77°W)
VE
LOC
IDA
DE
(m/s
)
<∆>=0.04
Deriva Modelada e Ventos modificados
SÃO LUIS16/10/2002
DPS-4 SUPIM
hm
F2 (k
m)
0
4
8
12
16
20
<∆>=0.05F10.7 = 181.4F10.7A = 171.0Ap = 18.0 fo
F2 (M
Hz)
DERIVA VERTICAL EFETIVA
HORA LOCAL
FIGURA 5.32 – Idem FIGURA 5.24, mas para o dia 16/10/2002.
131
0
200
400
600
800
0
200
400
600
800
00 04 08 12 16 20 00
SÃO LUIS16/10/2002
ALT
UR
A (k
m)
ISOLINHAS DGS-256ALTURA REAL
ISOLINHAS SUPIMDeriva e ventos
modificados
HORA LOCAL
FIGURA 5.33 – Idem FIGURA 5.24, mas para o dia 16/10/2002.
132
As simulações dos dias 15 e 16/10/2002 apresentam um bom conjunto de
resultados. As curvas de hmF2, foF2 e mesmo as isolinhas de freqüência, possuem
comportamento bem similar. Na FIGURA 5.32, o modelo conseguiu simular bem a
subida do pico de densidade eletrônica por volta de 16h. Contudo, nas isolinhas de
freqüência da FIGURA 5.32, entre 8 e 16h algumas estruturas na região de freqüências
mais baixas, não aparecem nas curvas modeladas, tal como já foi mencionado, sendo
exibidas curvas bastante suavizadas. Para efeito de comparação, na FIGURA 5.34,
segue mais um exemplo de perfis de densidade eletrônica observados e modelados,
considerando o dia 16/10.
100
200
300
400
500
600
700
800
0 4 8 12 16 20 24
Freqs. (MHz)ALTURA (km)
HORA LOCAL
0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
FIGURA 5.34 – Perfis de densidade eletrônica para o dia 16/10/2002, na localidade de
São Luís. No painel superior são apresentados perfis observados pela
Digissonda e no painel inferior, perfis modelados pelo SUPIM.
133
-120
-60
0
60
120
-120
-60
0
60
120-120
-60
0
60
120 dhF(5)/dtDPS-4
SÃO LUIS15/10/2002
VE
LOC
IDA
DE
VE
RTI
CA
L (m
/s)
dhF0.80/dtDPS-4
0 4 8 12 16 20 24-120
-60
0
60
120
DERIVA MODELADA
HORA LOCAL (44°W)
FIGURA 5.35 – Velocidades de deriva aparente medidas pela Digissonda DGS-256
(painéis superior e intermediário) e velocidade modelada para o SUPIM.
-120
-60
0
60
120
-120
-60
0
60
120-120
-60
0
60
120
DGS-256 dhF(5)/dt
SÃO LUIS16/10/2002
VE
LOC
IDA
DE
VE
RTI
CA
L (m
/s)
dhF0.80/dtDGS-256
0 4 8 12 16 20 24-120
-60
0
60
120
DERIVA MODELADA
HORA LOCAL (44°W)
FIGURA 5.36 – Idem FIGURA 5.35, mas para o dia 16/10/2002.
134
As curvas de velocidade modelada mostram pouca diferença com relação às
velocidades medidas pela Digissonda, conforme se observa nas Figuras 5.34 e 5.35.
Pois quando são feitos os ajustes manuais – e isso se aplica às curvas de ventos também
– procura-se manter o padrão original para evitar comportamentos que sejam irreais ou
absurdos. No caso dos ajustes das velocidades de ventos, é um pouco mais difícil tal
tarefa, pois, há muito poucas medidas disponíveis. Ou seja, baseando-se no
comportamento original das curvas, procura-se fazer os ajustes de modo coerente. Para
tanto, é sempre recomendável a consulta aos índices magnéticos, a análise sobre as
configurações de estação do ano, localização geográfica, horários, entre outras
características.
Uma razão importante para considerar a curva original de velocidade dos ventos
termosféricos pelo HWM90 como ponto de partida, é que ele contém toda a física
necessária para os cálculos e, portanto, as condições gerais de atmosfera neutra, ângulo
de zênite solar, estação do ano, por exemplo, estão sendo levadas em conta nas suas
equações.
Dispondo-se dos parâmetros de observação que se utilizaram aqui – isto é,
hmF2, foF2, isolinhas de freqüência e velocidades de derivas – bem como do
procedimento adotado, cria-se a possibilidade de se obterem medidas de vento de uma
forma indireta e a validade dessas medidas obviamente será estabelecida a partir do
momento em que pudermos confrontá-las com dados de interferômetros Fabry-Perot,
constituindo-se esta tarefa em mais um possível futuro trabalho. Convém lembrar que o
interferômetro Fabry-Perot possui capacidade de efetuar medidas na base da camada e
os ventos estudados aqui são referentes a alturas de 300km. Contudo, não deixa de ser
interessante efetuar essas comparações.
135
CAPÍTULO 6
DISCUSSÕES E CONCLUSÕES
6.1 Medidas com Diferentes Métodos
A busca por novas técnicas para obter medidas mais precisas de velocidade de
deriva por meio das Digissondas e a criação de novas ferramentas que permitissem
melhor estudar fenômenos ionosféricos foram algumas das motivações para a realização
do presente trabalho.
Essas motivações decorrem do fato de haver poucas medidas de deriva
eletromagnética na região próxima ao equador magnético. O radar de espalhamento
incoerente de Jicamarca seria o único instrumento apto a efetuar tais medidas no setor
americano. Apesar de seu banco de dados se estender por mais de 30 anos de medidas,
seu funcionamento está restrito a pequenos períodos de 3 a 5 dias a cada 4 meses mais
ou menos. Além disso, medidas de velocidade de ventos termosféricos também são
escassas, pois, devido à técnica de interferometria Fabry-Perot aplicada para obter tais
medidas, elas ficam restritas ao período noturno, somente quando há boas condições de
observação com o céu sem cobertura de nuvens e também sem a luz da lua cheia.
Com relação ao objetivo de experimentar novas técnicas para calcular
velocidades verticais de deriva com dados registrados por Digissondas, apresentamos os
métodos de dhF/dt, dhF0.80/dt e Vlos. Os dois primeiros são derivados de medidas de
altura real a partir de ionogramas e o terceiro utiliza as medidas diretas de desvio
Doppler em freqüência a partir de dados de deriva pós-processados com o Digisonde
Drift Analysis Skymap (DDAS).
No Capítulo 4, foram feitas análises comparativas dessas três diferentes técnicas
com as medidas de velocidade de deriva E×B fornecidas pelo radar de espalhamento
incoerente de Jicamarca. Conforme foi explicado naquele capítulo, o radar faz medidas
em alturas fixas em passos de 15km. Em nossas comparações, utilizamos medidas feitas
136
pelo radar a 390km porque: 1) dispunha-se, em geral, de uma maior quantidade de
dados para essa altura; 2) a altura média das fontes de reflexão levadas em conta nos
cálculos de deriva da Digissonda era próxima desse valor; 3) não havia muita diferença
no perfil vertical de velocidade, na maior parte do dia, portanto, não houve necessidade
de se efetuar uma média para uma determinada faixa de alturas.
Nas comparações de velocidade do Capítulo 4 podemos salientar os aspectos
que se seguem.
Quando a sondagem de deriva foi efetuada com freqüência fixa (~6MHz), em
Jicamarca, em dezembro de 2001, houve horários entre aproximadamente 22h do dia 10
e 2h do dia 11 nos quais a freqüência foF2 era menor que a freqüência de sondagem e,
então, a técnica de Vlos não apresentava valores de velocidade por não ter pontos de
reflexão, nessa faixa de horários.
Ao sobreporem-se as curvas de Vlos para dois diferentes valores de ângulo
zenital, (2° e 10°) observou-se que há menos pontos para a curva de 2° do que para a de
10°, como era de se esperar, já que a primeira perfaz um subconjunto da segunda.
Contrariamente às expectativas, as curvas para os diferentes ângulos exibiram
boa concordância. Portanto, é possível utilizar a velocidade na linha de visada para
ângulos até 10° sem prejuízo para as medidas. Entretanto, quanto mais afastado da
vertical estiver o ponto refletor, conforme foi alertado no mesmo capítulo, mais chances
existem de haver contaminação por possíveis componente horizontais. Visando
observar esse efeito, é apresentado, a seguir, o mesmo gráfico da FIGURA 4.5 contendo
velocidade de radar e Vlos para ângulos zenitais até 2° e 10°, incluindo-se a curva com
velocidade calculada para fontes localizadas até 40° de zênite.
Na FIGURA 6.1, observa-se que as velocidades calculadas para ângulos até 40° são bastante ruidosas e não apresentam mais pontos do que a curva referente a 10°. Cada ponto da curva é resultado de uma média sobre todos os pontos de uma sondagem completa. É claro que há mais pontos para efetuar essas médias no caso de ângulos até 40°, porém, à medida que os pontos estão mais distantes da vertical as velocidades
137
tendem a ser mais influenciadas pela possível componente horizontal. As barras de desvio padrão apresentam valores excessivamente altos. Conseqüentemente, as velocidades obtidas com fontes tão afastadas da vertical não possuem valores tão confiáveis.
-60
-30
0
30
60
08 12 16 20 00 04 08-60
-30
0
30
60
Vlos - DPS-4Ângulos de Zênite
2° 10° 40°
VE
LOC
IDA
DE
VE
RTI
CA
L (m
/s)
HORA LOCAL
Radar
JICAMARCA10-11/12/2001
FIGURA 6.1 – Curvas de velocidade na linha de visada obtidas com Digissonda para
diferentes ângulos de zênite e velocidade medida pelo radar de
Jicamarca.
Na FIGURA 6.2, são apresentadas as curvas de velocidade na linha de visada
para 2° e 10°, juntamente com as velocidades calculadas através dhF0.80/dt e medidas
com radar, para os dias 10-11/10/2002. Observa-se novamente uma boa concordância
entre as curvas de 2 e 10°. Nesse período, as sondagens de deriva utilizaram o modo
autodrift e, por isso, as freqüências de sondagem variaram ao longo do dia.
138
Conseqüentemente não há faixas de horários sem medidas de velocidade ao longo do
dia.
-150
-75
0
75
150
Vlos 10° 2°
08 14 20 02 08-150
-75
0
75
150JICAMARCA
10-11/OUT/2002
RADAR dhF0.80/dt
VE
LOC
IDAD
E V
ER
TIC
AL (m
/s)
HORA LOCAL
FIGURA 6.2 – Idem Curvas com velocidade na linha de visada obtidas com Digissonda
para diferentes ângulos de zênite e velocidade medida pelo radar de
Jicamarca.
Quanto aos outros métodos de cálculo de velocidade utilizando a altura real da
camada, dhF/dt e dhF0.80/dt, podemos concluir que são também boas alternativa para se
obter medidas de velocidade vertical de deriva. A segunda técnica demonstra maior
concordância com as medidas de radar do que a primeira, durante o horário de
ocorrência do pico pré-inversão de velocidade, porém, mesmo assim, ambas estão
próximas. Uma desvantagem dessas duas técnicas com relação a Vlos e DDAV é o
139
tempo que deve ser dedicado à revisão das reduções automáticas dos ionogramas pelo
ARTIST. Afora isso são igualmente confiáveis.
Considerando-se o DDAV, podemos perceber que as suas medidas de
velocidade são bastante concordantes em relação às das técnicas apresentadas aqui. As
vantagens em usar o DDAV é que, além da velocidade vertical de deriva, ele também
fornece valores de velocidade zonal e meridional (coordenadas geomagnéticas). Porém,
para utilizar o DDAV, é necessário que os parâmetros de sondagem estejam bem
configurados, caso contrário vai oferecer menos pontos do que as outras técnicas.
Um aspecto bastante relevante e positivo foi a concordância de comportamento
das curvas de velocidade, durante eventos de atividade magnética tais como os das
FIGURAS 4.7 e 4.11, referentes aos dias 10-11/10/2002 e 20-21/03/2003, nos quais a
componente z do campo magnético interplanetário (IMF-Bz) apresenta inversões nos
mesmos horários (ou próximos) em que as curvas de deriva vertical também apresentam
inversão no sentido. Na faixa de horário noturna, o campo elétrico de dínamo é voltado
para oeste e a deriva E×B é para baixo e tais inversões no sentido da deriva nesses
horários não são comuns. Nos casos apontados naquelas figuras, há a demonstração da
presença de um campo elétrico zonal de penetração voltado para leste e que por ter
módulo maior que o do campo elétrico de dínamo ao somar-se a esse resulta na inversão
do sentido da deriva E×B.
Diante dessas concordâncias durante eventos de atividade magnética, podemos
concluir que as medidas de deriva efetuadas pelas Digissondas são representativas da
deriva E×B, tornando-se assim bastante confiáveis e conseqüentemente aplicáveis a
estudos dessa natureza.
6.2 Modelagens de Deriva e Ventos
A opção por aplicar o modelo SUPIM, no presente trabalho, decorreu da
necessidade de uma ferramenta que permitisse obter velocidades de deriva
eletromagnética a partir de velocidades medidas por Digissondas. Com esse intuito,
140
visando validar nossos resultados, iniciamos nossos estudos por Jicamarca, já que lá
operam um radar de espalhamento incoerente e uma Digissonda modelo DPS-4.
Em nossos estudos de modelagem com o SUPIM consideramos que se
utilizássemos as derivas E×B medidas pelo radar de Jicamarca como entrada ao invés
das velocidades medidas pela Digissonda, as curvas de foF2, hmF2 e isolinhas de
freqüência geradas nas saídas apresentariam boa concordância com as observações.
Entretanto, constatou-se que as curvas não apresentavam comportamento similar.
Esses resultados sugerem que o modelo não simula muito bem a variação de
velocidade em altura na faixa que se estende de 200 a 600km, conquanto haja pequeno
gradiente vertical de velocidade na maior parte do dia – conforme podemos notar nas
observações feitas pelo radar – muito provavelmente qualquer variação, por pequena
que seja, pode resultar em uma representação mais realística por parte das simulações.
Conseqüentemente, haveria, inclusive, maiores chances de que fossem simuladas as
estruturas nas isolinhas de freqüência que atualmente não são observadas nos
resultados.
Desses primeiros resultados, portanto, verificou-se a necessidade de se modelar
a velocidade de deriva vertical – seja a eletromagnética provida pelo radar, seja a deriva
calculada a partir de dados das Digissondas – e as velocidades dos ventos termosféricos
meridionais.
De modo geral, poucas são as diferenças entre a deriva vertical modelada (ou
deriva vertical efetiva) e a deriva vertical observada pelo radar. Isso se mostra como um
aspecto interessante que faz a ponte necessária para a obtenção da deriva corrigida para
as Digissondas.
Na maioria das simulações obteve-se boa concordância entre as curvas de hmF2,
foF2 e isolinhas de freqüência observadas e modeladas, segundo o critério visual e o
critério da média diária do módulo do desvio relativo entre valores observados e valores
modelados. De acordo com esse segundo critério, as modelagens de boa concordância
141
devem exibir valores de média diária aproximadamente iguais a 0,06 e as modelagens
de concordância regular, valores de aproximadamente 0,10.
A deriva vertical exerce importante papel no controle de hmF2 durante todo o
dia e as velocidades dos ventos termosféricos meridionais têm menor influência sobre
esse parâmetro. Quanto ao comportamento da curva de foF2, nos horários entre 0 e 18h,
a conjugação de ventos e derivas se torna bastante importante.
As velocidades verticais de deriva observadas pelas Digissondas de Jicamarca e
São Luís exibem, em geral, valores menores durante o dia, entre 8h e 16h, do que as
velocidades modeladas e as velocidades medidas pelo radar de espalhamento
incoerente.
Os ventos resultantes das modelagens tiveram todos como base os ventos do
HWM90. A localidade mais próxima a Jicamarca, equipada com um interferômetro
Fabry-Perot é Arequipa (16,47°S; 71,49°W) a 2489 m de altitude, no Peru. Contudo,
não há dados de ventos termosféricos disponíveis para os períodos estudados neste
trabalho. Por conseguinte não há, por enquanto, como fazer quaisquer comparações
entre ventos termosféricos observados e modelados. Em São Luís, também não se
dispõe de tal equipamento. Os únicos que existem no Brasil são o da equipe do Dr. J. H.
Sobral e o da equipe do Dr. P. Fagundes, ambos fora de operação atualmente.
O modelo SUPIM se mostrou bastante apto a simular camadas F3 ocorridas em
alguns dos dias apresentados no Capítulo 5. Esse tipo de camada resulta da influência
da configuração de ventos e deriva que têm lugar nas altitudes médias e superiores da
região-F. Ao se observar as isolinhas de freqüência nesses dias, percebemos que exibem
um comportamento coerentemente diferenciado para as regiões inferior, média e
superior da camada. Da mesma forma, também, o modelo simulou bem os perfis de
densidade ao longo do dia, conforme podemos observar nas FIGURAS 5.9, 5.14 e 5.31.
Um aspecto positivo e encorajador dessas modelagens de velocidades de ventos
e de deriva vertical foi a boa concordância alcançada entre todos os parâmetros
observados e modelados, na maior parte das simulações. O fato de se conseguir essas
142
concordâncias simultaneamente para os parâmetros hmF2 e foF2 garante, de certa
forma, a unicidade da solução e, conseqüentemente, boa confiabilidade aos resultados
obtidos neste trabalho.
6.3 Trabalhos Futuros
Pretende-se continuar com o aprimoramento das modelagens e simulações
visando incluí-las nos estudos de ocorrência/ausência de Spread-F na região do equador
magnético, utilizando-se banco de dados de ionogramas digitais – denominado Digital
Ionogram Data Base (DIDB) (Khmyrov, 2002), coletados por Digissondas de várias
localidades ao redor do globo terrestre. Visando investigar a influência da declinação
magnética sobre o fenômeno.
Pretende-se também, estender a metodologia desenvolvida nesse trabalho aos
estudos de fenômenos relacionados a períodos magneticamente perturbados.
Finalmente, propõe-se também fazer estudos comparativos entre as componentes
zonais de velocidade de deriva medidas pelo radar de espalhamento incoerente e a
Digissonda do Rádio Observatório de Jicamarca, visando a validação de resultados.
143
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