Alteração no campo elétrico devido à resistividade anômala

Essa característica do campo elétrico zonal ser crescente com altura foi detectada nos dois modelos e não é uma característica incluída pela modelagem. Pelo contrário, essa é uma característica real, uma vez que os campos elétricos verticais, assim como as velocidades, também mostram um crescimento com altura. Como as velocidades são medidas pelo radar e são diretamente proporcionais ao campo elétrico elas revelam a característica do campo elétrico apesar de não revelar o seu valor explícito.

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Uma outra forma de demonstrarmos que os campos elétricos são mais intensos na porção superior é através da observação dos tipos de irregularidades de plasma. Já sabemos, das discussões anteriores, que as irregularidades do tipo 2 são geradas pelo mecanismo gradient-drift, o qual exige campos elétricos e por gradiente de densidade paralelos. Mas não estabelece nenhum limite mínimo para o valor do campo elétrico. Já as irregularidades tipo 1 são geradas pelo mecanismo de instabilidade two-stream, e só aparece quando as velocidades de deslocamento dos elétrons com respeito aos íons superam a velocidade íon- acústica (Cs). Para tal, é necessário um campo elétrico suficientemente intenso (FEJER; KELLEY, 1980). Portanto, ao observarmos o histograma da distribuição de altura das irregularidades tipo 1 e tipo 2 detectadas pelo radar RESCO durante dias calmos de 2003, teremos uma indicação indireta da intensidade do campo elétrico motor das irregularidades. Na Figura 5.3, apresentamos um histograma, o qual representa o comportamento típico da distribuição de altura das irregularidades observado para a localidade do radar RESCO e mostra uma clara dominância das irregularidades tipo 2 na base da região do eletrojato.

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Figura 5.3: Distribuição em altura das irregularidades tipo 1 (barras vermelhas) e tipo 2 (barras verdes) detectadas pelo radar RESCO durante dias calmos de 2003, entre as 8 e as 10h (hora local).

Parece ser evidente que o campo elétrico é quase sempre mais intenso na porção superior da região de espalhamento do eletrojato equatorial. Nesse contexto essa seção explora uma das possibilidades de explicação do crescimento do campo elétrico com altura.

Estudos de resistividades indicam que correntes ionosféricas nas alturas da região E podem alterar substancialmente a taxa de colisões elétrons-neutros enquanto a taxa de colisões íons-neutros não sofre variações significativas devido à inércia iônica. Levando em conta turbulências de pequenas escalas (δn(h)/n) Ronchi et al (1990) investigou teoricamente os seus efeitos na dinâmica de larga escala do eletrojato. As turbulências de pequenas-escalas podem alterar as propriedades dos transportes de plasmas conduzindo uma difusão anômala através do campo magnético. A difusão anômala é causada pela colisão anômala de elétrons gerada pelas instabilidades de plasma (SUDAN, 1983; ST- MAURICE, 1987). Colisões anômalas podem ser representadas por uma freqüência adicional, freqüência de colisão, υe* à

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freqüência de colisão normal υe. Gagnepain et al. (1977) estudaram experimentalmente os efeitos de ondas de plasma turbulentas nas alturas do eletrojato baseados em observações de radar VHF em Trivandrium. O método usado por eles foi o de comparar os perfis de velocidades do eletrojato teóricos e experimentais. Quando comparamos esses perfis encontramos uma discrepância entre seus resultados. O perfil experimental apresenta seu máximo de densidade em uma altitude maior que no modelo teórico. Incluindo as contribuições turbulentas na equação da velocidade, a discrepância na altitude máxima entre os dois perfis é removida. A conclusão a que chegaram é que a taxa de colisão elétrons-neutros teria que ser 4 vezes maior nos modelos para concordar com os resultados experimentais. Stening (1985) chegou a um resultado similar. Krishma Murthy e Sudhan Ravindran (1994) e Manju et al. (2005) também estudaram os efeitos em campos elétricos da inclusão dessa colisão anômala.

No nosso caso, ao acrescentarmos uma taxa de colisão devido ao deslocamento das ondas de plasma (υe*) às taxas de colisões eletrônicas (υe), teremos várias implicações. O fator anisotrópico terá sua variação com altura aumentada, com implicações na distribuição da velocidade de fase com altura e, portanto, os campos elétricos vertical e zonal devem ter seus valores alterados.

Para estudo de caso, processamos os dados de um dia magneticamente calmo de 2002 e traçamos os perfis verticais de campo elétrico zonal para quatro faixas de horário distintas. A Figura 5.4 mostra os perfis verticais do campo elétrico zonal (Ey) calculados para as 10, 12, 14 e 16 h do dia 2 de fevereiro de 2002, a hora local em cada gráfico está indicada na parte inferior direita de cada um deles. Também está presente nos gráficos a mediana do campo elétrico em cada horário estudado, representado pela curva vermelha vertical.

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Figura 5.4: Variação com altura do campo elétrico zonal (Ey) ao longo do dia para o dia 2 de fevereiro de 2002 para as 10, 12, 14 e 16 h. A linha vermelha em cada gráfico representa a mediana do campo elétrico em cada horário.

Como pode ser visto no gráfico, o campo elétrico zonal obtido da velocidade das irregularidades de plasma e do nosso modelo de condutividade não é constante em altura em nenhum dos horários. O que já era esperado, conforme as discussões anteriores.

Já se sabe de estudos experimentais de Viswanathan et al. (1993) que os campos elétricos na faixa de altura estudada tendem a apresentar um valor médio constante em altura, o que pode ser interpretado como um valor DC do campo elétrico. Partindo dessa consideração e supondo que todos os nossos cálculos estão corretos, realizamos um estudo para verificar qual seria a taxa de colisão necessária para assegurar que o campo elétrico zonal fosse

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constante na faixa de altura do eletrojato equatorial. Nessa hipótese, adotamos que todas as quantidades físicas obtidas através do modelo são realísticas exceto a taxa de colisão elétrons- neutros. Em outras palavras, consideramos que a taxa de colisão elétrons- neutros deveria ser 2, 4, 6, 8 ou 10 vezes maior que a calculada atualmente. A partir daí verificamos como o campo elétrico se comportaria.

A Figura 5.5 mostra os perfis verticais da relação entre as condutividades Hall/Pedersen integradas (5.5-a), do campo elétrico de polarização (5.5-b) e do campo elétrico vertical (5.5-c) obtidos a partir de dados do radar RESCO às 12 h do dia 29 de janeiro de 2002. A linha preta mostra os perfis sem alteração da taxa de colisão elétrons-neutros (υe), as outras linhas indicam como seriam os perfis ao aumentarmos a taxa de colisão em 2, 4, 6, 8 e 10 vezes (identificadas vide cor e símbolo da linha).

(a)

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Figura 5.5: Perfis verticais da relação entre as condutividades Hall/Pedersen integradas (5.5-a), do campo elétrico Ez (5.5-b) e do campo elétrico Ey (5.5-c) obtidos a partir de dados do radar RESCO às 12 h do dia 29 de janeiro de 2002. A linha preta mostra os perfis sem alteração da taxa de colisão elétrons-neutros (υe), as outras linhas indicam como seriam os perfis ao aumentarmos a taxa de colisão em 2, 4, 6, 8 e 10 vezes

Como pode ser observado na figura a relação entre as condutividades integradas Hall/Pedersen sofre uma alteração substancial a medida que passamos de 1 para 2 vezes e de 2 para 4 vezes. A partir de 6 para 8 vezes para cima a forma e o valor da alteração parece não sofrer alteração substancial apesar de ser significativa. Outro aspecto importante é que a altura onde a relação é máxima, isso é, a altura de localização do pico do perfil de relação, aumenta em altura. A mesma afirmação aplicada as intensidades da relação podem ser dita em relação à altura do pico, ou seja, a altura do pico apresenta uma variação substancial quando mudamos para 2, 4 e 6 vezes mas apesar de significativa não apresenta variação substancial de 6 para 8 vezes e de 8 para10 vezes.

Conforme já é esperado, essas alterações na taxa de colisão trouxeram implicações diretas nos cálculos de Ez e Ey. À medida que aumentamos a taxa de colisão elétrons- neutros de 2, 4, 6 vezes, assim por diante, observamos que o Ez cresce substancialmente na parte inferior da região do espalhamento, abaixo de 120 km. Na porção mais acima, especialmente acima de 109 km a

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variação não é significativa. Comportamento similar é apresentado pelo campo Ey. Porém, as variações observadas no campo zonal são de longe muito mais substanciais. Na parte inferior ele cresce num valor próximo de 0,1 para 3 mV/m. Isso quer dizer que ao variarmos 10 vezes a taxa de colisão elétrons- neutros Ey varia de 30 vezes. Na porção mais elevada ao aumentarmos a taxa de colisão de 1 para 10 vezes o seu valor, Ey variou de 1,2 para ~2 mV/m, representando um acréscimo de apenas 1/3 do seu valor inicial. A conclusão mais obvia obtida das figuras 5.5-b e 5.5-c é que as implicações no acréscimo da taxa de colisão elétrons- neutros tem implicações principalmente nos campos elétricos na porção inferior da região E.

Com relação especificamente às implicações da variação na taxa de colisão sobre os valores de campos elétricos podemos verificar que aumentos acima de 4 vezes parecem ser irreais. Aumentos acima dessa magnitude implicariam (como visto na figura 5.5 - b e c) em aumentos dos campos elétricos na porção inferior, os quais podem chegar, em alguns casos, em valores acima daqueles observados na porção superior. Como demonstrado na Figura 5.3 as irregularidades tipo 1 são observados apenas na porção superior no setor brasileiro, portanto os campos elétricos devem ter valores mais elevados nessas alturas, a menos que outro fator da equação do crescimento das irregularidades esteja sofrendo implicações devido a variação dessa taxa de colisão, esse aspecto contudo não foi considerado nesse trabalho e é endereçado para trabalho futuros. Deste modo, e baseado nos nossos cálculos e nas Figuras 5.5-b e c tendemos a afirmar que é pouco provável que as colisões anômalas de elétrons geradas por instabilidade de plasma, representadas por uma freqüência adicional de colisão nas taxas de colisão elétrons- neutros, possam assumir valores acima de 4 vezes. Valores das taxas de colisão aumentadas ate 4 vezes ainda mostram um gradiente positivo em altura no perfil do campo elétrico zonal mostrando campões elétricos de valores mais elevados na porção superior (1,5 mV/m) de que na porção inferior (0,6 mV/m)., em concordância com nossas observações de radar.

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