Neste capítulo é descrita a metodologia aplicada na seguinte tese: correção dos valores de amplitude do campo elétrico atmosférico, escolha de dias de tempo bom e obtenção das curvas médias mensais/sazonais/anuais (curvas padrão) e a análise de épocas superpostas na procura de efeitos solares no CEA.
4.1 CORREÇÃO DOS VALORES DE AMPLITUDE DO CAMPO ELÉTRICO ATMOSFÉRICO
Para registrar valores corretos de amplitude do campo elétrico atmosférico, o EFM precisa ser posicionado no nível do solo. No entanto, isso é impraticável por diversos fatores e o sensor é colocado a uma determinada altura acima da superfície. Isso provoca um aumento nas medidas do CEA por causa do efeito ponta. Para corrigir esse efeito, observações simultâneas são realizadas utilizando-se dois sensores EFM, um deles localizado no nível do solo (referência) e o outro na posição final18 (permanente). Uma regressão linear é realizada entre ambas as medidas e, depois, os valores do CEA da posição permanente são corregidos. Esse tratamento foi realizado para as estações: CAS1, CAS2, ICA, PLO e HYO. Para as estações ROR, CGR1, CGR2 e SPA não foi possível realizar as medidas simultâneas e, portanto, os valores de amplitude não foram corrigidos. No entanto, isso não impede a análise dessas estações neste trabalho.
4.2 OBTENÇÃO DE DIAS DE TEMPO BOM E CURVAS PADRÃO
Depois de corrigir os dados, a primeira parte do estudo consiste em escolher dias em que a
18 A posição final do sensor EFM permanente foi elegido de acordo com as facilidades técnicas e administrativas
em cada estação. Por exemplo, nas estações CAS1 e CAS2 os sensores estão à 1 metro do solo e na estação SPA o sensor está instalado no topo de um prédio de 7 andares. Para futuros lugares de instalação se recomenda ter um padrão na altura do sensor EFM acima do nível do solo.
variação diária do CEA é registrada em condições de tempo bom (o qual foi chamado como dias de tempo bom). O critério para escolher esses dias não considera condições meteorológicas (como mencionado na seção 2.2) devido a que a maioria das estações da rede AFINSA não têm uma estação meteorológica perto do sensor EFM. O critério para escolher dias de tempo bom foi classificado com base em dois requisitos (como proposto em Tacza, 2015). O primeiro requisito foi escolher dias que apresentaram uma variação diária de forma aproximadamente similar à curva de Carnegie (figura 2), ou seja, com valores do CEA maiores entre as 12-24 UT comparado com os valores entre as 00-12 UT. O segundo é baseado na realização de
histogramas dos valores do CEA registrados em cada uma das estações. Por exemplo, a figura 27 mostra a Frequência Absoluta (figura 27a) e a Frequência Cumulativa (figura 27b) dos valores do CEA para a estação HYO. Assumindo que o número de dias com condições de tempo bom é bem maior que o número de dias com tempo perturbado, o histograma mostra que quase 90 % das medidas estão entre 0-200 V/m. Consequentemente, adotou-se esses valores como característicos para condições de tempo bom. O outro 10 % corresponde a valores registrados durante períodos de tempo perturbado, por exemplo, durante tempestades elétricas. Tacza (2015) mostra os histogramas para CAS1, CAS2, ICA e PLO. Na tabela 2 está indicado o intervalo escolhido, em base aos histogramas, dos valores de amplitude do CEA de tempo bom para todas as estações e o período para o qual foi realizado os histogramas. Os valores altos de amplitude para as estações ROR e SPA é devido, como mencionado anteriormente, a que os valores não foram corrigidos pela posição do sensor. Os valores negativos encontrados nas estações CGR1 e CGR2 (separados aproximadamente 7,5 km) são devido a nuvens, como explicado no seguinte capítulo.
Figura 27: Frequência Absoluta (a) e Frequência Cumulativa (b), para os valores do CEA, para a estação de HYO, durante o período de estudo.
Tabela 2 - Intervalo de valores de amplitude de campo elétrico atmosférico em dias de tempo bom para todas as estações.
Estação Intervalo de valores (V/m) Período
CAS1 40 - 200 5 anos CAS2 40 - 200 5 anos ICA 0 - 250 1 ano PLO 0 - 250 1 ano ROR 100 - 1000 3 anos HYO 0 - 250 12 meses CGR1 -400 - 500 18 meses CGR2 -500 - 1000 12 meses SPA 400 - 2500 14 meses
Fonte: Elaborado pelo autor.
Para validar o critério adotado para escolher dias de tempo bom, foi comparada a curva diária média anual do CEA com a curva média encontrada utilizando-se o critério meteorológico (velocidade de vento < 8 m/s e não precipitação). Para isso, utilizou-se uma estação meteorológica perto do sensor EFM na estação HYO (afastado ~200 metros). A figura 28 mostra as curvas diárias médias anuais do CEA utilizando-se o critério descrito anteriormente (linha vermelha, média realizada com 34 dias) e o critério que inclui as variáveis meteorológicas (linha preta, média realizada com 21 dias). As barras de erro são de 1σ. Pode-se observar a grande semelhança entre ambas as curvas. O coeficiente de correlação é r=0.98. Essa comparação mostra que o critério adotado é uma boa representação de dias de tempo bom e pode ser utilizado em lugares que não tem estações meteorológicas.
Depois de escolher os dias de tempo bom, foram calculadas médias mensais/sazonais/anuais das curvas diárias do campo elétrico atmosférico. As médias obtidas serão nossas curvas padrão e serão importantes para comparar com os diversos fenômenos geofísicos e solares. Adicionalmente, as médias mensais foram comparadas com a variação temporal da concentração de aerossóis e o número de ocorrências de raios.
Na próxima subseção se explica a metodológica para a análise das variações do CEA durante fenômenos solares.
Figura 28: Comparação entre as médias anuais das variações do CEA em dias de tempo bom para o critério utilizado no presente trabalho (linha vermelha) e o critério utilizando-se as variáveis meteorológicas (linha
preta). As barras de erros são de 1σ.
4.3 ANÁLISE DE ÉPOCAS SUPERPOSTAS
Devido ao fato que os eventos solares possam ter efeitos no CEA não muito significativos comparado com o ‘ruído’ do sinal foi realizado a análise de épocas superpostas (AES). A AES consiste na média de subconjuntos de dados, no mesmo intervalo de tempo, com a finalidade de eliminar o ruído de fundo e acentuar possíveis efeitos de baixa amplitude. Para a presente tese, os subconjuntos de dados foram os excessos do campo elétrico com respeito à curva padrão durante os eventos solares. A AES tem sido frequentemente utilizada para examinar a relação hipotética entre propriedades elétricas atmosféricas e eventos solares (Cobb, 1967; Reiter 1969; Reiter, 1971; Engfer e Tinsley, 1999). A metodologia adotada na análise das explosões solares e eventos de prótons é a seguinte: Primeiro, as curvas médias mensais das variações diárias do CEA, em condições de tempo bom, foram calculadas para cada mês (curva padrão mensal). Segundo, para cada evento solar, é utilizada uma janela de tempo de 24 horas antes e 48 horas
após a hora de início do evento. A hora de início da explosão solar é definida como o início do aumento no fluxo de raios X (1-8 Å). Da mesma forma, o tempo de início dos eventos de prótons é definido como o início do aumento do fluxo de prótons ≥ 100 MeV. Terceiro, a diferença entre os valores do CEA, de cada janela de tempo, e suas curvas padrão mensais foram calculados para obter os excessos do CEA. Finalmente, aplica-se a análise de época superposta às curvas de excesso. Os dois últimos passos podem ser resumidos pela seguinte fórmula:
𝐶𝐸𝐴𝐴𝐸𝑆
=
1𝑁
∑
𝐶𝐸𝐴
𝑖− 𝐶𝐸𝐴
𝑖𝑁
𝑖=1 (11)
onde: 𝐶𝐸𝐴𝐴𝐸𝑆 é o excesso do campo elétrico atmosférico calculado depois de utiliza a análise de épocas superpostas, N é o número de eventos, 𝐶𝐸𝐴𝑖 é o CEA com médias de três horas para o evento i, e 𝐶𝐸𝐴𝑖 é o CEA médio mensal de tempo bom, com média cada três horas, para o evento i.
Para comparar os resultados, aplicamos a mesma metodologia a períodos de 3 dias de medições de campo elétrico atmosférico sem atividade solar (explosão solar, evento de prótons, ejeção de massa coronal). Neste caso, o tempo zero para aplicar a AES foi escolhido em horários diferentes durante o dia para não restringir o resultado para um tempo específico. Assim, se obtém as características da curva de "background" das variações do campo elétrico atmosférico sem quaisquer perturbações solares.
Para o caso de decréscimos Forbush, a janela de tempo foi de 10 dias antes e 10 dias depois do início do evento onde os excessos do CEA foram calculados da diferença dos valores médios diários do CEA e os valores médios de suas respetivas curvas padrão mensais. O tempo de início é o tempo de início do decréscimo Forbush.