Dentre os vários métodos utilizados no estudo da baixa Ionosfera, a análise de dados de ondas eletromagnéticas na faixa de VLF (Very Low Frequency, 3 – 30 kHz), que podem se propagar livremente em longas distâncias no guia de onda Terra - Ionosfera, busca observar alterações das propriedades elétricas através das variações da velocidade de fase e amplitude destas ondas.
A técnica de propagação de ondas de VLF permite obter observações contínuas a custos relativamente baixos em comparação com outros métodos, como radares de espalhamento coerente. As propriedades da propagação de ondas de VLF, além de ter
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aplicações na pesquisa da baixa Ionosfera, foi utilizada como sistema de navegação global antes da aparição do GPS e das comunicações via satélite (Barr et al., 2000).
O estudo das propriedades físicas da região D ionosférica tem com foco a análise de ondas de VLF que se propagam no espaço limitado inferiormente pela superfície terrestre e superiormente pela base da Ionosfera, chamado guia de onda Terra-Ionosfera. Ondas de VLF propagadas no guia de onda Terra-Ionosfera apresentam estabilidade e pouca atenuação (com exceção de períodos de amanhecer e entardecer no trajeto), o que possibilita a propagação da informação contida na onda, referente as condições elétricas das fronteiras do guia de onda, através de longas distâncias (Marques, 2006)
A densidade eletrônica da baixa Ionosfera é suficiente para torná-la um bom condutor perante frequências de VLF e ELF (Extremely Low Frequency 3 - 30 Hz). A propagação de uma onda eletromagnética é controlada pelo índice de refração, (N ), pela densidade eletrônica, (Ne), do meio, e da frequência angular da onda, (ω) e dependendo de sua frequência, pode ser refletida quando incide sobre fronteiras condutoras, podendo ser guiada ao longo dessas estruturas através de reflexões múltiplas. No caso de uma onda se propagando em um plasma, N é expresso pela equação de Appleton-Hartree (HARGREAVES, 1992), dada por:
N2 = 1 − X 1 − jZ Y2 T 2(1−X−jZ) ± Y4 T 4(1−X−jZ)2 1/2 (8) Onde:
• X é uma relação entre a frequência angular de plasma, ωp, e a frequência da onda,
ω, dado por:
X = ω
2
p
ω2 (9)
sendo ωp dado por:
ωp = s
Neq2
e
me0 (10)
onde qe é a carga do elétron, me é a massa do elétron, 0 é a permissividade elétrica no vácuo e Ne é a densidade eletrônica.
• YL é a componente longitudinal dada pela razão entre a girofrequência de elétrons no plasma, ωb, e ω:
YL= ωb
ω (11)
sendo ωb função da componente perpendicular do campo geomagnético ao movimento do elétron, B e expressa por:
ωb = qe
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• YT é uma relação entre a componente transversal de ωb com respeito à direção de propagação dado por:
YT = ωbsin θ
ω (13)
• Z é a razão entre a frequência de colisão no plasma, ν, e ω:
Z = ν
ω (14)
• j representa o número imaginário, onde j2 = −1.
Dentro do guia de onda Terra-Ionosfera N ≈ 1, resultando essencialmente em uma propagação em espaço livre das ondas de VLF. Já na fronteira com a região D ionosférica, N varia rapidamente de forma que N 1 resultando numa substancial reflexão. No estudo de ondas eletromagnéticas de LF-HF no plasma ionosférico das regiões E e F, N pode ser escrito através da seguinte relação:
N2 = 1 − ω
2
p
ω2 (15)
resultado das aproximações YT → 0 e YL → 0 na equação 8. Já no caso da região D, não é possível considerar Z → 0 devido a alta densidade de espécies neutras que faz com que a relação ν ω não seja válida.
De acordo com Wait e Spies (1964), a frequência de colisão ν, é representada por uma exponencial nesta região da Ionosfera, e pode ser expressa por:
ν(h) = 1, 816 × 1011exp(−0, 15h) (16)
Observa-se através da Figura 6, que apresenta valores típicos de frequência de colisão, que para uma altura típica da região D, ν ≈ 5 × 106s−1, fazendo com que o termo
Z seja muito maior que 1 não podendo ser desconsiderado na equação 8.
Figura 6 – Perfil típico de frequência de colisão da baixa Ionosfera.
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Logo, a expressão para o índice de refração na região D ionosférica é obtida pela relação abaixo:
N2 = 1 − iωp
ων = 1 − i
Ω
ω (17)
O termo Ω, ou parâmetro de condutividade, foi definido por Wait e Spies (1964) como a razão entre ω2
p e ν. Assim como a frequência de colisão, a densidade eletrônica da baixa Ionosfera também é bem representada por uma exponencial, o que faz com que o perfil de Ω em função da altura seja bem representado por:
Ω(h) = Ω0expβ(h − h0) (18)
o termo onde h0 é a altura de referência (altura na qual Ω(h = h0) = Ω0 = 2.5 × 105s−1), e β é um parâmetro ionosférico muito importante denominado gradiente de condutividade. A propriedade do gradiente de condutividade mede a taxa de variação de Ω com a altura. Em condições quiescentes, o valor geralmente adotado para β é de 0,3 km−1 durante o dia e 0,5 km−1 durante a noite (WAIT; SPIES, 1964).
Duas teorias são utilizadas para o estudo da propagação de ondas de rádio no guia de onda Terra-Ionosfera. A primeira teoria chamada de teoria dos raios ou ray-tracing não se aplica quando o meio através do qual uma onda se propaga tem suas características alteradas no espaço de um comprimento de onda que é o que ocorre com a propagação de ondas de VLF no guia de onda Terra-Ionosfera. Logo é necessária a utilização de soluções de onda completa, nas quais os campos da onda são calculados em muitos pontos no intervalo de um comprimento de onda. Várias análises de onda completa foram desenvolvidas, mas, devido aos grandes trajetos percorridos por uma onda de VLF, é mais indicado representar essa propagação em termos de propagação no modo guia de ondas, onde a Terra e a Ionosfera formam as paredes de um guia de onda esférico.
O segundo método é denominado de teoria dos modos de um guia de onda. Está técnica é adequada para trajetos longos (d > 1000 km). Uma onda é confinada quando as dimensões do guia de onda são da mesma ordem do comprimento da onda propagada, o que é verificado para ondas de VLF (10 km < λV LF < 100 km) propagadas no guia de onda Terra-Ionosfera de altura 70 km. Podendo ser considerado uma cavidade ressonante, o guia de onda Terra-Ionosfera é capaz de manter e propagar em seu interior apenas a energia eletromagnética associada a determinadas frequências ressonantes. Os padrões encontrados na ressonância transversal ao eixo do guia de onda são denominados modos. Os modos de onda do guia de onda Terra-Ionosfera são geralmente classificados como elétrico transverso (TE), magnético transverso ou de primeira ordem (TM) e eletromagnético transverso ou de ordem zero (TEM). Essa definição, depende da geometria do guia de onda, com relação à direção de propagação da onda (WATT et al., 1967).
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A fase do sinal de VLF apresenta um comportamento mais uniforme à variação de altura do guia de onda, sofrendo um avanço quando da ocorrência da diminuição da altura da Ionosfera. A variação de fase medida, ∆φ, é relacionada a variação da velocidade de fase, vφ, do primeiro modo de propagação da onda de VLF através da relação:
∆φ = 360d
λ
∆vφ
c (19)
onde λ é o comprimento da onda de VLF, d é o tamanho do trajeto percorrido por essa onda e c é a velocidade da luz no espaço livre.
De acordo Wait e Spies (1964) a velocidade de fase do primeiro modo de propagação pode ser definida, considerando a superfície terrestre perfeitamente condutora, como :
vφ= c 1 − h 2rT + λ2 32h2 ! (20)
onde h é a altura de reflexão da onda de VLF e rT é o raio da Terra. A velocidade de fase, vφ, depende da frequência da onda, da altura do guia, do campo geomagnético e do perfil de densidade eletrônica na região D. A figura 7 mostra que a velocidade de fase aumenta quando a altura do guia de onda diminui, independente da frequência da onda, o que facilita a interpretação das variações de fase do sinal de VLF.
Figura 7 – Velocidade de fase em função da frequência da onda para diferentes alturas do guia de onda.
Fonte: Wiat e Spies(1964).
A partir das equações 19 e 20 é possível determinar a variação efetiva da altura da base da ionosfera, ∆h, através da relação resultante em Muraoka et al.(1977):
∆φ = 360d λ 1 2R + λ2 16h3 0 ! ∆h (21)
onde h0 é a altura de referência do guia de onda Terra-ionosfera quiescente,h0 é o nível da ionosfera perturbada e ∆h = h0− h0 .
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Marques (2006) identificou a existência de uma maior sensibilidade da região D durante mínimo solar através do estudo de SPAs (Sudden Phase Anomalies) observados na fase de sinais de VLF propagados no guia de onda Terra-Ionosfera durante dois períodos extremos do ciclo solar.
McRae e Thomson (2000) em seus resultados aprestaram um aumento de aproxi-madamente 1 km da altura de referência da região D quiescente entre períodos de máximo e mínimo solar detectados através de dados de ondas de VLF.
Sátori et al. (2005) encontraram indícios de variações de longo prazo do perfil de condutividade das alturas da baixa Ionosfera entre 90 e 100 km através do estudo da propagação de ondas de VLF no guia de onda Terra-Ionosfera.
De acordo Schmitter (2011), ondas de VLF respondem sensivelmente à distribuição da densidade eletrônica na baixa Ionosfera, em sua pesquisa considerou caminhos de propagação que percorriam regiões polares e subpolares de forma que seus resultados mostraram correlação entre as amplitudes do sinal VLF e a atividade das ondas planetárias (principalmente com período de quase 16 dias) na região de latitudes médias europeias e que as variações das características da ondas de VLF ao longo do caminho de latitudes médias da Sicília para a Alemanha (52o N 8o E) usando o transmissor NSY 45,9 kHz (37o N 14o E) estão correlacionadas com eventos de alta absorção como a Anomalia de Inverno. Shimitter (2011) verificou também que a ação de ondas planetárias em dados de temperatura fornecidas pelo instrumento SABER (Sounding of the Atmosphere using
Broadband Emission Radiometry) poderia ser observados também em dados de ondas
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4 MATERIAL E MÉTODOS
O monitoramento contínuo da baixa Ionosfera através da técnica de ondas de VLF, permite estudar os fenômenos físicos transientes e de longo prazo, observando alterações na sua condutividade elétrica. A técnica consiste em detectar mudanças como a variações na fase e/ou amplitude do sinal de rádio com respeito a seu nível quiescente. A técnica de VLF utiliza o sinal de rádio emitido por vários transmissores instalados em diferentes partes do globo e recebido nas estações receptoras localizados em sua maioria no hemisfério sul.
O sinal propaga-se em longas distâncias dentro do guia de onda Terra-Ionosfera com pouca atenuação. As variações sofridas durante o dia pelo sinal emitido, no que diz respeito à alterações das propriedades da condutividade elétrica na Ionosfera, faz com que a propagação de ondas de VLF seja uma ferramenta útil para o estudo da baixa Ionosfera. Para o desenvolvimento desta pesquisa, foram utilizados dados de amplitude do sinal de VLF. Rotinas computacionais foram desenvolvidas com o objetivo de ler, filtrar e visualizar as informações contidas nos dados permitindo a implementação de códigos necessários ao desenvolvimento deste trabalho.