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EESSTTUUDDOODDEECCAASSOOSSDDEERREEFFRRAAÇÇÃÃOOAATTMMOOSSFFÉÉRRIICCAANNOORRIIOOGGRRAANNDDEEDDOOSSUULLDDUURRAANNTTEEOOAANNOO D
DEE11999966
João Gerd Zell de Mattos, Ariane Frassoni dos Santos, Paulo R. P. Foster Faculdade de Meteorologia
Universidade Federal de Pelotas
Caixa Postal 354, 96010-900 – Pelotas / RS – Brasil. E-mail: jgerd@bol.com.br
ABSTRACT
The intensity and the trajectory of the transmissions of microwaves for radars and communication
systems can be substantially altered due to the variation of the index of refraction of the air, being able to
not a lot of times to result in an anomalous propagation. To do a forecast of the propagation of
microwaves in the atmosphere, we needed to have the knowledge of the vertical profile of the variation of
the modified refraction index. To analyze the vertical profile of the modified refraction index (N), the
observations obtained through the radiosonde GPS were used MARK-II, thrown to 12 TMG of the station
aerológica 83.971, located at the international airport Salgado Filho, Porto Alegre - RS. The values of N
were calculated, with a good approach for the equation proposal for Sauvageot (1992) and the values of
the vapor pressure were obtained by the equation of Wexler.
1
1--IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO
A refração atmosférica pode alterar substancialmente o caminho e a intensidade das transmissões de microondas por radares e sistemas de comunicação. É reconhecido que o forte gradiente vertical de temperatura, e particularmente umidade, encontrado na camada limite atmosférica (CLA) próximo às regiões oceânicas pode resultar em propagações anômalas. Em certas condições atmosféricas de temperatura e umidade, as microondas emitidas para baixos ângulos de elevação em relação ao horizonte tenderão a se inclinar devido à diminuição da refratividade com a altura. Entretanto, o raio de curvatura do feixe emitido é significativamente maior do que o raio de curvatura da terra.
Em outras circunstâncias, o gradiente vertical de refratividade (dN/dz) pode produzir condições de aprisionamento, situação esta, caracterizada pelo desvio do feixe em direção a superfície. Por conseguinte, as camadas atmosféricas estratificadas podem favorecer o aparecimento de dutos radar onde a energia se propaga com pouca atenuação.
Um outro tipo de propagação anômala ocorre quando a refratividade diminui substancialmente menos rapidamente com a altura do que em condições normais. Esta situação pode causar uma degradação da transmissão entre dois pontos da superfície, desde que a energia propagada tenderá a ser reenviada em direção a superfície, ao contrario do que ocorreria em condições padrões de propagação. Babin (1995) discute os efeitos destas categorias de índices de refração e de uma classificação quantitativa do gradiente de refratividade de cada categoria.
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2--DDAADDOOSS
Os dados utilizados neste trabalho foram obtidos das radiosandagens da microssonda GPS Mark-II, realizadas pela estação aerológica 83.971 – Porto Alegre, RS (latitude: 30° S, longitude: 51° W, altitude 3m), localizada no Aeroporto Internacional Salgado Filho, operada pelo Ministério da Aeronáutica. As radiosondagens analisadas foram realizadas no período de janeiro a dezembro de 1996, todas a sondagens analisadas foram realizadas no período diurno (12 TMG).
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3--MMEETTOODDOOLLOOGGIIAA
A propagação de microondas na atmosfera é determinada pela variação do índice de refração do ar, mas como este valor é muito pequeno, próximo à unidade, o índice de refratividade do ar é calculado pela quantidade chamada de radio refratividade N, que é relacionado ao índice de refratividade do ar n por
N
=
(
n
−
1
)
x
10
6 ( 1 ) A equação para a radio refratividade N em termos das variáveis atmosféricas pode ser determinada a partir da teoria de Debye, assumindo que o ar é composto por partículas sólidas e por vapor d´água. Segundo Bean e Dutton (1968) a equação para a radio refratividade N depende da temperatura, pressão e pressão de vapor d´água da atmosfera, como
+
=
T
e
p
T
N
77
,
6
4810
( 2 )Onde T é a temperatura atmosférica em Kelvin, P é a pressão total atmosférica em milibares. As constantes nessa equação foram empiricamente derivadas das medidas da constante dielétrica e são aplicáveis para freqüências de radio entre 1 e 100 GHz.
Previsões para a propagação de microondas requerem um conhecimento do perfil da refratividade versus altura (Dockery 1988). As condições de propagação de microondas podem ser descritas em termos de refração normal, super-refração e sub-refração. Temos
Sub-refração: Este tipo de refração ocorre quando
dN
/
dz
>
0
. Neste caso, o feixe em propagação é desviado para cima, em direção contrária à superfície da Terra, como mostra a Figura 1.Refração Normal: Este tipo de refração ocorre sempre que
−
79
<
dN
/
dz
<
0
. o feixe sofre uma pequena mudança na direção inicial, não prejudicando a detecção dos alvos. Um exemplo da refração normal é mostrado na Figura 2.Super-refração:este tipo de refração ocorre quando
−
157
<
dN
/
dz
<
−
79
. ao atravessar uma camada super-refrativa, o feixe é desviado na direção da superfície terrestre, como mostra a Figura 3.Duto: é a denominação dada a uma determinada camada atmosférica que pode aprisionar ondas radioelétricas em propagação. Ocorre quando
dN
/
dz
<
−
157
, ou seja,quando a super-refração é muito forte e a onda eletromagnética fica oscilando dentro de uma mesma camada, como mostra a Figura 4.Figura 1- Ilustração de uma situação de sub-refração ocorrido na sondagem realizada às 12 TMG do dia 2 de agosto de 1996, através dos perfis verticais da refratividade (N).
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Figura 2 - Ilustração de uma situação de refração normal ocorrido na sondagem realizada às 12 TMG dodia 7 de agosto de 1996, através dos perfis verticais da refratividade (N).
Figura 3- Ilustração de uma situação de super refração ocorrido na sondagem realizada às 12 TMG do dia 5 de agosto de 1996, através dos perfis da refratividade (N).
Figura 4- Ilustração de uma situação de duto ocorrido na sondagem realizada às 12 TMG do dia 12 de agosto de 1996, através dos perfis de refratividade (N).
Os termos super-refração e sub-refração têm sido tradicionalmente usados na literatura desde que estas condições sejam associadas com uma melhor propagação normal e uma pior propagação normal, respectivamente.
A presença destas características pode ter profundos efeitos na propagação de microondas, deste modo afetando as emissões de radar e a rádio comunicação. Examinando a inclinação da curva do perfil vertical da radio refratividade, estas condições podem facilmente ser identificadas. O perfil vertical de N nos casos de sub-refração, refração normal e duto (que é um tipo de super-refração) pode ser observado na Figura 5.
Figura 5- Perfil vertical de N (refratividade) nos casos de sub-refração (a), refração normal (b) e duto (c). Fonte: Babin (1995), modificado.
4- 44--RREESSUULLTTAADDOOSSEEDDIISSCCUUSSSSÕÕEES S
Analisando as 341 sondagens diurnas (12 TMG), num total de 12929 dados, observa-se que em 17,14% dos casos ocorreram camadas com sub-refração, 1,38% apresentaram camada com super-refração, e, 81,12% apresentaram apenas refração normal, como pode ser visto figura 6. Percebe-se o restante das sondagens, ou seja, em 0,38% dos casos ocorreram dutos.
10488
2216
179
46
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000Normal Sub Super
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Figura 6- Número de casos durante o ano de 1996.a) Janeiro: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Foram detectados, também, oito eventos com ocorrência de dutos. Foram detectadas situações com super-refração entre 1700 e 18900m, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera com alguns casos ocorrendo próximos à superfície.Na figura 7 podemos ver um exemplo de caso de duto ocorrido no dia 22 .
Figura 7- Ilustração de uma situação de Duto ocorrido na sondagem realizada às 12 TMG
do dia 22 de Janeiro, através dos perfis verticais da refratividade (N), da
temperatura do ar (T) e da Umidade Relativa (UR) .
b) Fevereiro: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Foram detectados, também, quatro eventos com ocorrência de dutos entre 8 e 7300 m. Situações com super-refração foram detectadas entre 400 e 6100m, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera com alguns casos ocorrendo próximos à superfície. Na figura 8 podemos ver um exemplo de caso de super refração ocorrido no dia 14.
Figura 8- Ilustração de uma situação de Super Refração ocorrido na sondagem realizada às
12 TMG do dia 14 de Fevereiro, através dos perfis verticais da refratividade (N),
da temperatura do ar (T) e da Umidade Relativa (UR) .
c) Março: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Foram detectados, também, Três eventos com ocorrência de dutos entre 19 e 5400 m. Foram observadas duas situações com super-refração entre 1800 e 2600 m, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera. É importante salientar que neste mês ocorreram problemas nas sondagens e por isso só foi possível obter os dados dos dias 1, 2,3 e de 19 até 31. Na figura 9 podemos ver um exemplo de caso de refração normal ocorrido no dia 31.
Figura 9- Ilustração de uma situação de Refração Normal ocorrido na sondagem realizada às
12 TMG do dia 31 de Março, através dos perfis verticais da refratividade (N), da
temperatura do ar (T) e da Umidade Relativa (UR) .
d) Abril: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Não foram detectados eventos com dutos. Situações com super-refração foram detectadas entre 29 e 7400 m, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera. Na figura 10 podemos ver um exemplo de caso de sub refração ocorrido no dia 10.
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Figura 10- Ilustração de uma situação de Refração Normal ocorrido na sondagem realizadaàs 12 TMG do dia 10 de Abril, através dos perfis verticais da refratividade (N), da
temperatura do ar (T) e da Umidade Relativa (UR) .
e) Maio: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Foram detectados, também, cinco eventos com ocorrência de dutos entre 2000 e 4100 m. Situações com super-refração foram detectadas entre 200 e 7200m, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera. Na figura 11 podemos ver um exemplo de caso de duto ocorrido no dia 31.
Figura 11- Ilustração de uma situação de Duto ocorrido na sondagem realizada às 12 TMG do dia
31 de Maio, através dos perfis verticais da refratividade (N), da temperatura do ar (T) e
da Umidade Relativa (UR) .
f) Junho: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Foram detectados, também, seis eventos com ocorrência de dutos entre 5 e 2500 m. Situações com super-refração foram detectadas entre 43 e 7300m, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera. Na figura 12 podemos ver um exemplo de caso de super refração ocorrido no dia 29.
Figura 12- Ilustração de uma situação de Super Refração ocorrido na sondagem realizada às 12
TMG do dia 29 de Junho, através dos perfis verticais da refratividade (N), da
temperatura do ar (T) e da Umidade Relativa (UR) .
g) Julho: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Foram detectados, também, sete eventos com ocorrência de dutos entre 1500 e 6000 m. Situações com super-refração foram detectadas entre 160 e 5000m, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera. Na figura 13 podemos ver um exemplo de caso de sub refração ocorrido no dia 27.
Figura 13- Ilustração de uma situação de Sub Refração ocorrido na sondagem realizada às 12 TMG
do dia 27 de Julho, através dos perfis verticais da refratividade (N), da temperatura do
ar (T) e da Umidade Relativa (UR) .
h) Agosto: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Foram detectados, também, dois eventos com ocorrência de dutos entre 1,7 e 2,8 km. Situações com super-refração foram detectadas predominantemente na camada limite atmosférica, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera. Na figura 14 podemos ver um exemplo de caso de duto ocorrido no dia 17.
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Figura 14- Ilustração de uma situação de Duto ocorrido na sondagem realizada às 12 TMG do dia17 de Agosto, através dos perfis verticais da refratividade (N), da temperatura do ar (T)
e da Umidade Relativa (UR) .
i) Setembro: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Não foram detectados eventos com ocorrência de dutos . Situações com super-refração foram detectadas entre 38 e 4500m, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera. Na figura 15 podemos ver um exemplo de caso de duto ocorrido no dia 30.
Figura 15- Ilustração de uma situação de Duto ocorrido na sondagem realizada às 12 TMG do dia
30 de Setembro, através dos perfis verticais da refratividade (N), da temperatura do ar
(T) e da Umidade Relativa (UR) .
j) Outubro: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Foram detectados, também, três eventos com ocorrência de dutos entre 1300 e 5000 m. Situações com super-refração foram detectadas entre 19 e 7200 m, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera com dois casos correndo próximo à superfície ( 70 e 821 m). Na figura 16 podemos ver um exemplo de caso de duto ocorrido no dia 22.
Figura 16- Ilustração de uma situação de Duto ocorrido na sondagem realizada às 12 TMG do dia
22 de outubro, através dos perfis verticais da refratividade (N), da temperatura do ar
(T) e da Umidade Relativa (UR) .
k) Novembro: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Foram detectados, também, quatro eventos com ocorrência de dutos entre 7 e 11000 m. Situações com super-refração foram detectadas entre 10 e 8020m, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera. Na figura 17 podemos ver um exemplo de caso de sub refração ocorrido no dia 23.
Figura 17- Ilustração de uma situação de Sub Refração ocorrido na sondagem realizada às 12 TMG
do dia 23 de novembro, através dos perfis verticais da refratividade (N), da temperatura
do ar (T) e da Umidade Relativa (UR) .
l) Dezembro: Os resultados mostram a ocorrência predominante de refração normal sobre a região estudada em todas as camadas. Foram detectados, também, quatro eventos com ocorrência de dutos 2 e 6900 m. Situações com super-refração foram detectadas entre 980 e 10500m, e, situações com sub-refração foram detectadas nas camadas mais altas da atmosfera. Na figura 18 podemos ver um exemplo de caso de super refração ocorrido no dia 8.
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Figura 18- Ilustração de uma situação de Super Refração ocorrido na sondagem realizada às 12TMG do dia 8 de dezembro, através dos perfis verticais da refratividade (N), da
temperatura do ar (T) e da Umidade Relativa (UR) .
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5--CCOONNCCLLUUSSÃÃOO
Dos 12929 dados analisados, 18,88% dos casos apresentaram algum tipo de refração capaz de desviar consideravelmente a onda em propagação (sub-refração, super-refração ou duto). Os outros 81,12% apresentaram apenas refração normal, a qual não desvia significativamente a trajetória do feixe.
Analisando os dados das radiossondagens pode-se observar que os quatro tipos de refração mencionados estão ligados diretamente com o gradiente vertical de umidade. Nos casos onde se observam dutos, pode-se perceber que este está relacionado com o déficit de umidade na camada onde ocorreu (em um dos casos observados a umidade caiu de 80,4% para somente 0,8%) e, em alguns casos com uma inversão de temperatura. Em um dos casos observados a umidade caiu de 80,4% para somente 0,8%.
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6--BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFIIAA
BABIN, S.M., 1995: A case study of subrefractive conditions at Wallops Island, Virginia. J. Appl. Meteor., 34: 1028-1038.
BATTAN, L.J., 1973: Radar observation of the atmosphere. University of Chicago Press, 324 p. BEAN, B.R., e E.J. Dutton,1968: RadioMeteorology. Dover Publications, 435 pp.
DOCKERY, G.R. 1988: Modeling electromagnetic wave propagation in the troposphere using the parabolic equation. IEEE trans Antennas Propag. , 36, 1464-1470.
