As características gerais da onda de quase dois dias nos ventos da região MLT em C. Paulista, foram apresentadas por Lima et al. (2004, 2007) enquanto que a sua sazonalidade foi reportada por Araújo et al. (2014) e o fato desta onda se constituir num fenômeno notável da região MLT durante os meses de janeiro-fevereiro já é bem conhecido. A Figura 4.22 apresenta espectros em ondaletas de Morlet para os ventos das componentes zonal e meridional na altitude de 90 km em que é mostrada a evolução temporal desta oscilação entre 1º de janeiro e 28 de Fevereiro (verão) e entre 1º de julho e 29 de agosto (inverno) de 2005, sobre C. Paulista.
FIGURA 4.22 Espectros em ondaletas dos ventos zonal (painel superior) e meridional (painel inferior) na altitude de 90 km sobre C. Paulista, para o verão (painel da esquerda) e inverno (painel da direita).
Como pode ser visto a partir da Figura 4.22, a energia espectral, referente aos meses de verão para o período em torno de dois dias em ambas as componentes do vento estão presentes, em que as amplificações em janeiro são mais fortes no vento meridional do que no zonal. Os espectros para o inverno revelam atividade da onda de dois dias, no entanto, sua energia é mais fraca. Também é possível observar que o período da oscilação permanece próximo de 2 dias, no entanto, apresenta variação ao longo do tempo. Os espectros de ondaletas para cada verão e inverno de todos os anos considerados no presente estudo (não mostrados aqui) também foram obtidos e foi possível perceber uma
variabilidade ano a ano nos períodos da onda de quase dois dias. Para examinar a sua variabilidade ano a ano, os períodos da onda de 2 dias na componente do vento meridional foram estimados para todas as altitudes usando o periodograma de Lomb-Scargle, para uma janela de 15 dias, considerando o intervalo de tempo em que a onda maximiza em cada um dos verões. Os períodos médios obtidos a partir de todas as alturas são listados na Tabela 4.1, e apresentam variabilidade interanual, com valores entre 44,2 a 50,3 horas.
Tabela 4.1: Períodos da onda de quase dois dias para cada verão e inverno Período (horas)
ano Verão Inverno
1999 52,5 2000 50,3 50,8 2001 47,0 42,2 2002 46,4 56,4 2003 47,5 56,8 2004 47,5 50,4 2005 47,0 49,4 2006 44,2 2008 48,5 50,8 2012 46,1 2014 46,3 49,9 2015 47,3 49,2 2016 48,9 48,0
Para examinar a variabilidade da amplitude, fase e comprimento de onda da onda de 2 dias, os dados de vento para os meses de janeiro-fevereiro foram submetidos à análise harmônica (ajuste de mínimos quadrados). A análise foi realizada para segmentos de quatro dias, escalonados por um dia. As amplitudes e fases dos ventos zonal e meridional da onda de quase dois dias foram calculadas usando o seguinte ajuste:
3 1 2 ( ) o i cos i i i v t v A t T (4.5)
onde v t é o vento horário zonal ou meridional, ( ) o
v é o vento predominante, A representa i a amplitude do i-ésimo termo (o qual é o i-ésimo harmônico), e
ié o ângulo de fase do i-ésimo termo, nos períodos (
i
T ) de 12, 24 h e TQT DW para i = 1, 2, ou 3, respectivamente. Os períodos para a onda de quase dois dias, TQT DW , obtidos em cada verão foram usados (ver Tabela 4.1).
A amplitude média da onda para as estações de verão e inverno em cada ano, nas altitudes de 84, 87, 90, 93 e 96 km, são apresentadas na Figura 4.23. Os símbolos quadrado aberto e os circulos em preto representam as componentes zonal e meridional, respectivamente. Para a estação de verão, as amplitudes da onda na componente zonal atingiram valores na faixa de 11-20 m/s e são mais fracas que as da componente meridional, cujas amplitudes variam de 21 a 49 m/s, em que os valores máximos foram registrados em 2006 com picos secundários em 2000, 2003 e 2015, enquanto valores mínimos foram observados em 2001, 2005 e 2008. A variabilidade interanual da amplitude da onda de dois dias é mais evidente na componente meridional para todas as altitudes. Para o inverno, as amplitudes nas componentes zonal e meridional da onda, alcançaram valores na faixa de 10-20 m/s, em que a variabilidade interanual é clara para todas as altitudes. Nota-se que as amplitudes zonal e meridional são coincidentes para alguns anos na estação de inverno, principalmente para altitudes acima de 90 km, porém, as amplitudes para componente meridional excedem as da zonal na maioria dos anos.
FIGURA 4.23 Amplitudes da onda de 2 dias nas componentes zonal (quadrados abertos) e meridional (círculos em preto) em 84, 87, 90, 93 e 96 km observadas em C. Paulista, para o verão (painel superior) e inverno (painel inferior).
A variabilidade interanual que é observada nas ondas atmosféricas na região MLT tem sido atribuída às variabilidades que também são observadas nos ventos. Alguns estudos associam a variabilidade ano a ano da onda de 2 dias com a QBO da estratosfera equatorial a qual, conforme já mencionado, aparece em algumas observações na mesosfera superior (Sridharan et al., 2003; Huang et al., 2013).
A Figura 4.24 apresenta novamente as amplitudes da onda de 2 dias nas componentes do vento zonal (quadrados abertos) e meridional (círculos em preto) em 90 km, para as estações de verão (painel superior) e inverno (painel inferior), bem como os valores mensais do vento zonal equatorial em 30 mb (linha tracejada azul). A partir desta figura é possível observar que algumas amplitudes mais intensas (mais fracas) da onda de dois dias coincidem com a fase para leste (para oeste) da QBO em 30 mb durante o verão, principalmente para componente meridional, mas não mostram regularidade de QBO. Para o inverno a amplitude da onda de dois dias revela variabilidade QBO com regularidade intermitente, em que as amplitudes maiores são coincidentes com a fase para leste da QBO em 30 hPa para componente meridional. A partir dessa análise não é possível estabelecer que a amplitude da onda de dois dias seja afetada pela QBO, mas apenas sugerir uma possível correlação entre essas oscilações, principalmente durante a estação de inverno.
FIGURA 4.24 Amplitudes da onda de 2 dias nas componentes zonal (quadrados abertos) e meridional (círculos em preto) em 90 km observadas em C. Paulista durante as estações de verão (painel superior) e inverno (painel inferior), juntamente com os valores mensais do vento zonal equatorial em 30 mb (linha tracejada azul).
Como uma possível correlação da onda de dois dias e a QBO depende da altitude (nível de pressão) do vento zonal equatorial, os coeficientes de correlação entre a amplitude da onda na região MLT e os ventos zonais nos níves de pressão entre 10 e 80 hPa foram obtidos para as estações de verão e inverno e os resultados para a componente meridional são apresentados na Figura 4.25. Para o verão, os coeficientes indicam uma fraca correlação negativa entre as amplitudes da onda e os ventos da QBO entre 15-45 hPa. As melhores correlações ocorrem para as amplitudes da onda de dois dias entre as altitudes de 81 e 84 km com ventos da QBO em 15 hPa, 87-90 km com ventos da QBO em 25 hPa e 93-99 km com ventos da QBO em 45hPa, nos quais o grau de relação entre essas oscilações é de aproximadamente r = 0,3, e não significativas para α = 0,05. Para o inverno, as melhores correlações positivas ocorrem para as amplitudes da onda de dois dias e ventos da QBO em 25 hPa, com grau de relação de r = 0,43 (não significativo) em 87 km e de r > 0,50 (significativo para α = 0,05) em 96 e 99 km. Para a componente zonal, os coeficientes foram fracos e não atingiram valores significativos para ambas as estações.
FIGURA 4.25 Coeficiente de correlação entre as amplitudes da componente meridional da onda de dois dias para verão (painel da esquerda) e inverno (painel da direita) e os ventos da QBO em 10-80 hPa.
Os resultados aqui apresentados para a onda de 2 dias observada durante a estação de verão mostram que as suas amplitudes foram altas em 2003 quando a fase QBO em 30 mb foi para leste, como também em 2006 quando a fase da QBO foi para oeste. As amplitudes da onda de 2 dias foram fracas para situações de QBO para leste (2000, 2002, 2005, 2014 e 2016), como também para fase para oeste (2001 e 2008), ou seja, as amplitudes da onda
de 2 dias não parecem ser afetadas pela fase da QBO durante a estação de verão nos ventos da região MLT em C. Paulista. Entretanto, durante a estação de inverno as amplitudes da onda de 2 dias na componente meridional apresentam valores altos e baixos intercalados, sugerindo efeitos da QBO, com correlação positiva significativa para altitudes acima de 90 km.
Em geral, as variabilidades que são observadas na onda de 2 dias têm sido associadas a fenômenos meteorológicos, bem como aqueles devido a fatores externos (clima espacial). Para explicar a amplificação sazonal da onda de 2 dias, Salby e Callaghan (2001)
realizaram estudos com simulação numérica para investigar a relação entre os modos normais e instáveis. De acordo com seus resultados, a intensificação da onda durante os meses de solstício é devida à energia transferida do fluxo médio à onda, que ocorre na região instável e depois se dispersa globalmente na estrutura do modo Rossby-gravidade. Com relação à possível modulação da onda pela QBO, Sridharan et al. (2003) associaram a baixa atividade da onda de 2 dias observada durante o verão do hemisfério norte com a mudança correspondente ao seu mecanismo de excitação na fase para leste da QBO. Observações da onda de 2 dias realizadas a partir da temperatura obtida de medidas do instrumento SABER/TIMED apontam que a atividade da onda mostra variação quase bienal em ambos os hemisférios em que são vistos mais claramente em médias e altas latitudes (Huang et al., 2013).
A modulação da amplitude da onda de dois 2 dias no hemisfério de inverno pela QBO foi observada nas medidas de vento da região MLT em baixas latitudes por Araújo et al. (2014). Considerando que a onda de 2 dias ocorre no hemisfério de verão, a sua presença no hemisfério de inverno é interpretada como sendo devida ao acoplamento interhemisférico. Portanto, ao cruzar a região equatorial e interagir com o vento médio, a onda exibirá no hemisfério de inverno uma assinatura da QBO.
Para ver uma possível conexão entre a variabilidade interanual da onda de dois dias e o ciclo solar de 11 anos, na Figura 4.26 estão representados a amplitude da onda para as estações de verão e inverno para ambas as componentes em 90 km juntamente com o fluxo de rádio solar F10.7 mensal (diamante vermelho), em que os valores mensais de janeiro e julho para verão e inverno foram usados, respectivamente. A partir desta Figura é
possível ver que há uma boa concordância entre o comportamento das amplitudes da onda de dois dias na estação de verão para a componente meridional e o índice F10.7, com exceção de 2001 e 2002 quando a amplitude da onda foi fraca e 2006 quando a amplitude da onda foi muito forte. Os coeficientes de correlação foram determinados e apontam relação não significativa entre as amplitudes da onda de dois dias, para ambas as componentes, e o índice F10.7 quando todos os anos são considerados, em ambas as estações. Entretanto, quando os casos excepcionais não são considerados, ou seja, os verões de 2001, 2002 e 2006 são excluídos, existe boa correlação entre as amplitudes meridional da onda nas altitudes de 81-93 km e o índice F10.7, onde as melhores correlações (r = 0,87 a 0,95, significativo para α = 0,025) ocorrem quando se utiliza o índice F10.7 do mês de dezembro.
FIGURA 4.26 Amplitude da onda de dois dias para os ventos zonal e meridional em 90 km e o fluxo de rádio solar F10.7 mensal (diamante vermelho) para as estações de verão e inverno.
Jacobi (1997) encontrou uma correlação positiva entre as amplitudes da onda de 2 dias e o
ciclo solar de 11 anos sobre a Europa central. Estudo sobre a variabilidade de longo prazo da onda de 2 dias a partir de medidas de ventos por radar de frequência média (MF) em 22° N também mostrou uma correlação de fase entre a componente meridional e fluxo solar em ambos os solstícios, em que a máxima solar lidera amplitude da onda de 2 dias por 1 ou 2 anos (Gu et al, 2013). Usando 10 anos de dados de ventos em latitudes médias
do hemisfério norte, Lilienthal e Jacobi (2015), observaram que a onda de 2 dias apresenta variabilidade interanual, porém não encontraram relação entre a onda e o ciclo solar de 11 anos. No presente estudo, foi observada uma boa concordância entre o comportamento temporal da amplitude da onda de 2 dias e o índice de fluxo solar durante a estação de verão, porém com correlação baixa e não significativa, contudo, quando os casos excepcionais foram excluídos, verifica-se boa correlação entre a variabilidade interanual da amplitude da onda de 2 dias e o índice de fluxo solar F10.7, sugerindo uma possível modulação da onda pelo ciclo solar de 11 anos. Análises adicionais são necessárias para confirmar se a onda de 2 dias é modulada pelo ciclo solar de 11 anos, considerando uma série mais longa de dados.
Os comprimentos de onda verticais da onda de dois dias na componente meridional foram obtidos a partir das estruturas de fase verticais para as estações de verão e de inverno, e os resultados são apresentados na Figura 4.27 (círculos em preto), em que a barra vertical representa o desvio padrão. Na mesma Figura também estão representadas as fases em 84 km (círculos vermelhos), 90 km (quadrado aberto) e 96 km (triângulo azul), as quais são interpretadas como os horários em que ocorrem os máximos. Como pode ser visto dos gráficos, os máximos ocorrem primeiro nas altitudes mais elevadas, ou seja, a estrutura vertical de fase descende com a altitude, consistente com a propagação ascendente da energia, e apresenta variabilidade ano a ano para ambas as estações. Os comprimentos de onda verticais mostram variação interanual substancial, tendo valores mais baixos durante o verão, de 55 km em 2014 e 60 km em 2000 e 2008, enquanto valores mais elevados (~ 90 km) foram observados em 2004, 2005 e 2015. Os comprimentos de onda verticais para o inverno também mostram variabilidade ano a ano, atingindo valores mais baixos de 28 km, 35 km e 36 km em 1999, 2002 e 2005, respectivamente, enquanto os valores mais elevados foram observados em 2000 (52 km), 2004 (50 km), 2008 (62 km) e 2015 (53 km). Deve-se notar que os comprimentos de onda verticais observados durante o verão foram maiores do que os observados no inverno.
FIGURA 4.27 Comprimentos de onda verticais da onda de dois dias (círculos em preto) e as fases em 84 km (círculos vermelhos), 90 km (quadrado aberto) e 96 km (triângulo azul) observadas em C. Paulista durante as estações de verão e inverno.
Os valores dos comprimentos de onda verticais estimados para outras localidades também mostram variabilidade. Harris e Vincent (1993) encontraram valores em torno de 70 km para Christmas Island, enquanto Palo e Avery (1995) obtiveram valores entre 36 e 44 km para a mesma localidade, porém para épocas diferentes. Thayaparan et al. (1997)
encontraram valores maiores do que 150 km nos ventos sobre London (43 N), Canadá, quando as amplitudes foram maiores, contudo, valores menores para os comprimentos de onda verticais, entre 60 e 80 km, também foram obtidos das observações. Gurubaran et al.
(2001) encontraram comprimentos de onda verticais entre 35 e 70 km para a onda de 2 dias sobre Tirunelveli (8.7 N) durante as atividades intensas da onda.
Sabe-se que o vento médio desempenha um papel importante no regime de propagação das ondas atmosféricas e, portanto, podem afetar os parâmetros das mesmas. Quando a atividade da onda de 2 dias é mais intensa (janeiro-fevereiro) o regime de vento da região MLT apresenta uma configuração em que a direção é para leste acima de 86 km sobre C. Paulista, como pode ser visto na Figura 4.1. Também na mesma Figura é possível ver que o padrão da estrutura vertical dos ventos e do cisalhamento para janeiro-fevereiro apresenta uma clara variabilidade ano a ano. Huang et al. (2013) usando medidas de temperatura SABER/TIMED encontraram que o comprimento de onda vertical para a onda de 2 dias é mais curto para situação em que a propagação ocorre num regime de vento com direção para oeste. Usando medidas de ventos sobre São João do Cariri e C. Paulista, Araújo et al. (2014) também encontraram resultado similar, em que os comprimentos de onda verticais foram mais curtos em Cariri, cujo regime de vento médio em janeiro-fevereiro é para oeste, diferente de C. Paulista que é para leste na região MLT. Contudo, analisando os ventos na Figura 4.1 não é possível identificar relação entre as variações ano a ano no padrão do vento médio da região MLT e as variações no comprimento de onda vertical da onda de 2 dias durante as estações de verão e inverno.
CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES
A pesquisa realizada teve como foco estudar a evolução da dinâmica da região entre as altitudes de 80 a 100 km, chamada de MLT, durante o ciclo solar 23, a partir da análise da variabilidade dos ventos, bem como da amplitude da maré diurna e dos parâmetros da onda de 2 dias. Os dados de vento foram obtidos a partir de medidas fornecidas por radar meteórico VHF instalado em Cachoeira Paulista (22,7oS; 45,0oO).
As análises dos ventos mensais para as componentes zonal e meridional, bem como as respectivas séries do residual, não mostraram efeitos da QBO.
Com relação a possíveis efeitos da atividade solar nos ventos mensais, a partir das análises de regressão múltipla os resultados indicam que a atividade solar tende a reforçar os ventos para oeste abaixo de 90 km e enfraquecer os ventos para leste acima desta altitude durante fevereiro-abril. Durante maio-setembro os resultados indicam que a atividade solar contribui para reforçar os ventos dirigidos para leste abaixo de 90 km e os ventos para oeste acima.
Para a componente meridional os resultados indicam que os ventos dirigidos para Sul são reforçados com a atividade solar, principalmente em março para altitudes entre 87 e 96 km e entre junho e agosto para altitudes abaixo de 93 km.
Quando os ventos são separados por estações do ano, verifica-se que os ventos na componente zonal apresentam variabilidade interanual em todas as estações, exibindo regularidade em algumas altitudes. Os ventos na direção zonal da região MLT observados durante o verão e o outono mostram variações tipo QBO nas altitudes abaixo de 90 km. Para a componente meridional, em geral a variabilidade interanual em todas as estações do ano são irregulares em quase todas as altitudes. Os ventos da componente meridional da região MLT também não mostram oscilações tipo QBO.
Os resultados sugerem que os ventos da região MLT são intensificados durante os anos de máxima atividade solar, principalmente os ventos dos meses de verão e de inverno em ambas as componentes zonal e meridional. Para o outono, a componente zonal do vento
para leste tende a enfraquecer durante alta atividade solar. Para a primavera verifica-se enfraquecimento dos ventos para oeste abaixo de 90 km e intensificação acima.
As análises da maré diurna mostraram uma correlação positiva entre amplitudes da maré diurna e ventos da estratosfera equatorial, em que a correlação é mais forte quando os ventos QBO em 20 hPa são considerados. A correlação é positiva para ambas as componentes zonal e meridional, mas o efeito é mais expressivo na componente meridional do que na zonal. O efeito QBO, ou seja, as diferenças nas amplitudes da maré diurna entre as fases para oeste e para leste da QBO em 20 hPa, é positiva em todas as estações, exceto em alguns verões do hemisfério sul. O efeito mais forte da QBO é mais evidente durante os equinócios e início do inverno, quando as amplitudes da maré diurna são maiores. De um modo geral, conclui-se que existe uma relação robusta positiva da amplitude da maré diurna e da QBO, com alguma modulação sazonal.
Há indícios de que a relação QBO e maré diurna seja modulada pelo ciclo solar de 11 anos, de modo que a modulação da amplitude da maré diurna aparece mais forte durante o máximo solar. A correlação da modulação com o fluxo de rádio solar é bastante forte, no entanto, os resultados se referem aos dados que compreendem um mínimo e dois máximos de atividade solar. Observações adicionais durante o próximo mínimo solar serão úteis para comprovar os resultados.
A amplitude da onda de 2 dias para a estação de verão não mostra efeito da fase da QBO nos ventos da região MLT. Para a estação de inverno as amplitudes da onda de 2 dias na componente meridional mostram efeitos da QBO, com correlação positiva significativa para altitudes acima de 90 km.
Foi observada uma boa concordância entre o comportamento temporal da amplitude meridional da onda de 2 dias e o índice de fluxo solar durante a estação de verão, em que a correlação foi baixa e não significativa. Entretanto, após exclusão dos casos excepcionais (2001, 2002 e 2006), verifica-se uma boa correlação entre a variabilidade da amplitude meridional da onda de 2 dias e o índice F10.7, sugerindo uma possível modulação da onda pelo ciclo solar de 11 anos. Análises adicionais com uma série de dados mais longa são necessárias para confirmar se a onda de 2 dias é afetada pelo ciclo solar de 11 anos.