INCIDÊNCIA DE DUTOS TROPOSFÉRICOS NO PERÍODO DO EMAS
Marcondes Jorge Ribeiro Amorim 1 Maria Regina da Silva Aragão 2
Magaly de Fatima Correia 2 Universidade Federal da Paraí1ba
ABSTRACT
This research aims to investigate the influence of meteorological variables on atmospheric refractivity focusing on the limiting case of tropospheric ducts, atmospheric layers where radio waves are trapped. Daily rawinsonde data collected in three locations of Northeast Brazil (Barbalha-CE, Campina Grande-PB and Fortaleza-CE) from 24th March to 5th April 1995 during the EMAS (Experimento de Mesoescala na Atmosfera do Sertão) are used. Campina Grande shows the highest percentage of soundings with ground-based and elevated ducts while Fortaleza has the smallest. Ground-based ducts show minima of occurrence at night on all locations, a result which suggests the importance of surface heating for ground-based duct formation. By contract, elevated ducts do not show a definite daily pattern of occurrence. Results show that ducts are a consequence of moisture stratification in the vertical. The ducts are found to affect radiotransmission systems that operate on VHF/UHF such as TV, commercial and private communication systems and public safety services such as firefighters, police, etc.
1. Introdução
A propagação de ondas radioelétricas na atmosfera tem aplicações tão diversas como o sensoriamento por plataformas observacionais espaciais e terrestres, telecomunicações e navegação aérea e marítima.
A radiopropagação na atmosfera depende fundamentalmente das condições meteorológicas. A interação entre os fenômenos meteorológicos e a energia em propagação pode causar refração e atenuação de sinais.
A análise da refração atmosférica é normalmente realizada observando o comportamento do índice de refração modificado (M). Camadas atmosféricas onde M decresce com a altitude, denominadas dutos troposféricos, constituem um caso limite do fenômeno de refração, já que podem aprisionar freqüências específicas das ondas radioelétricas em propagação. Os dutos podem ser de superfície ou altitude; aqueles cuja base coincide com a superfície terrestre são denominados dutos de superfície enquanto os demais constituem os dutos de altitude.
Até recentemente, o estudo da refração atmosférica no Nordeste do Brasil não podia se beneficiar integralmente dos dados de radiossondagens, já que os mesmos eram processados e armazenados com resolução vertical insuficiente para a detecção de camadas atmosféricas com dezenas ou poucas centenas de metros de espessura. Essa limitação foi eliminada com o advento das sondagens de ar superior monitoradas por microcomputadores. Os primeiros estudos baseados em informações dessa natureza coletadas no Nordeste do Brasil foram os de Correia (1994) e Correia e Silva (1996), que identificaram dutos troposféricos em radiossondagens diárias realizadas no ano de 1985 em Petrolina, Pernambuco, situada na zona semi-árida do Nordeste do Brasil.
Neste trabalho são apresentados resultados de um estudo da refração atmosférica e de seu ciclo diário, com enfoque na detecção de dutos atmosféricos, para três localidades do Nordeste do Brasil. O acervo de dados utilizados, o primeiro a possibilitar este tipo de investigação para a região, foi gerado por estações PC-CORA da Väisäla durante o Experimento de Mesoescala na Atmosfera do Sertão (EMAS), realizado no período de 24 de março a 5 de abril de 1995.
2. Dados e Métodos
A realização do EMAS possibilitou fazer medições de ar superior nas cidades de Barbalha-CE (7º19’S, 39º18’W), Campina Grande-PB (7º13’S, 35º53’W) e Fortaleza-CE (3º47’S, 38º33’W) situadas a 409, 547 e 26 metros de altitude, respectivamente. Foram realizadas, em média, 4 sondagens 1 Bolsista de Iniciação Científica - Programa PIBIC/CNPq/UFPB
2
diárias em cada localidade, nos horários das 03, 07, 09, 15, 18 e 21 horas.
No estudo da refração atmosférica a refratividade N é o parâmetro fundamental, sendo obtida pela equação 2 5 10 75 , 3 6 , 5 6 , 77 T e x T e T P N = − +
onde P é a pressão atmosférica (mb ou hPa), e a pressão parcial do vapor d’água (mb ou hPa) e T a temperatura do ar (K). Por outro lado, o estudo da refração atmosférica é geralmente realizado utilizando o índice de refração modificado M, função de N e da altitude Z, dado por M =N +0,157Z. O cálculo do gradiente vertical de M permitiu detectar as camadas de duto, ou seja, aquelas camadas nas quais dM dZ <0. A representação gráfica dessas camadas foi feita utilizando perfis verticais de M. Perfis verticais da temperatura do ar (T) e do ponto de orvalho (Td) foram utilizados para investigar a relação existente entre a ocorrência de dutos e a variação vertical da temperatura e umidade.
Outro parâmetro importante para o entendimento dos fatores responsáveis pela ocorrência de dutos é o déficit de umidade (D), já que ele é uma medida do quanto a atmosfera está próxima ou afastada da saturação. D é a diferença entre a pressão parcial do vapor d’água à saturação (es(t)) e a pressão parcial do vapor d’água (e(t)), ambas em mb ou hPa.
)
(
)
(
t
e
t
es
D
=
−
Perfis verticais das componentes U e V do vento possibilitaram uma visão preliminar das características dinâmicas associadas à ocorrência de dutos.
O cálculo da espessura do duto atmosférico permite, em conjunto com a análise da variação do índice de refração na camada, definir o comprimento de onda que seria aprisionado pelo duto. A relação entre o comprimento de onda máximo (λmax) e a espessura do duto (d) é dada pela equação
3 | | 2 max M Cd δ λ =
onde d é a espessura do duto (m), C é igual a 3,77x10-3 à superfície e igual a 5,66x10-3 em altitude e
|δM| é o módulo da diferença do índice M na camada de confinamento.
Equivalentemente, a onda aprisionada pode ser determinada em termos da freqüência mínima ( fmin) por
max min
λ
c
f
=
onde c é a velocidade de propagação eletromagnética (3x108 m/s). 3. Discussão dos Resultados
A análise do gradiente e do perfil vertical de M permitiu detectar facilmente os níveis do topo e base dos dutos atmosféricos bem como a espessura dos mesmos. Na determinação das camadas de duto as sondagens foram analisadas como um todo, ou seja, desde a superfície até nível do estouro do balão. A maioria dos dutos foi encontrada abaixo de 5.500 m. A grande incidência de dutos na baixa e média troposfera é justificada em função da alta variabilidade, principalmente dos parâmetros temperatura do ar (T) e pressão parcial do vapor (e). Como o índice de refração atmosférica depende diretamente desses parâmetros, a variação vertical da umidade e da temperatura é determinante no comportamento da refração atmosférica.
A Tabela 1 apresenta, para cada localidade, o número total de sondagens realizadas no período do EMAS e o percentual de sondagens com duto. Campina Grande se destaca pelo elevado percentual de sondagens com dutos de superfície (89%) enquanto que Fortaleza apresenta o menor valor (57%). No caso dos dutos de altitude, Barbalha e Fortaleza tem valores praticamente iguais (85 e 86%, respectivamente) enquanto que Fortaleza apresenta o menor percentual (68%).
O número percentual de sondagens com duto, por horário de sondagem, nas três localidades é ilustrado na Figura 1. A análise dessa figura indica que os dutos de superfície e altitude são originados e influenciados por diferentes sistemas de circulação atmosférica, já que suas freqüências de ocorrência não apresentam o mesmo padrão de comportamento diário. Os dutos de superfície tem
freqüência de ocorrência menor no período da noite nas três localidades (Fig. 1a), o que sugere que esses dutos sofrem influência direta do aquecimento e resfriamento da superfície. Mais especificamente, esses dutos tem mínimo de freqüência de ocorrência às 03:00 HL em Barbalha e Campina Grande e às 21:00 e 03:00 HL em Fortaleza. Esses resultados indicam que os dutos de superfície devem estar estreitamente relacionados com a fisiografia de cada região, o que é sugerido pelo comportamento semelhante de Barbalha e Campina Grande, situadas em áreas interioranas de relevo acidentado, em contraste com Fortaleza, situada no litoral. No caso dos dutos de altitude (Fig. 1b) não há evidência de um padrão, o que pode ser parcialmente atribuído ao fato de que eles incluem desde camadas de duto situadas a baixas altitudes até dutos localizados na média troposfera.
Um exemplo de duto de superfície é dado pela sondagem realizada às 21:00 HL do dia 26 de março em Fortaleza (Fig. 2). O perfil vertical de M (Fig. 2a) mostra a camada de duto com topo a 69 m. Essa é a altitude do topo de uma camada de inversão térmica de subsidência (Fig. 2b) e do topo da camada em que D aumenta com respeito a altitude (Fig. 2d). Assim, a presença de duto se deve ao comportamento contrastante de D nessas duas camadas adjacentes que, por vez, está relacionado com o comportamento de T e Td. Os perfis verticais de U e V (Fig. 2c) mostram intensificação nos primeiros 200 m acima da superfície e, em particular, na camada de duto devido a variação da componente V.
Na figura 3 é representado um duto de altitude encontrado na sondagem realizada às 15:00 HL do dia 24 de março em Fortaleza. O perfil vertical de M (Fig. 3a) mostra a camada de duto com topo a 625 m e base a 574 m. Essas altitudes coincidem com o nível do topo e da base de uma camada de inversão térmica de subsidência (Fig. 3b) e de uma camada em que D aumenta com respeito a altitude (Fig. 3d). Assim, a presença de duto se deve ao comportamento contrastante de D em relação as camadas adjacentes à camada do duto que, por sua vez, está relacionado com o comportamento de T e Td e, em especial, com a queda acentuada de Td. Os valores de U e V (Fig. 3c) são quase constantes na camada de duto, representando que nesta camada não houve variação na direção e intensidade do vento.
Outro produto da análise realizada neste trabalho foi a determinação das freqüências aprisionadas pelos dutos e seus respectivos comprimentos de onda. A Tabela 2 evidencia que os dutos encontrados afetam principalmente as ondas VHF e UHF onde operam: transmissão de TV e rádio, sistemas comerciais e particulares de comunicação, serviços de segurança pública (polícia, bombeiros, etc.).
A análise do acervo de dados gerado pelo EMAS sugere que a ocorrência de um duto está diretamente relacionada com o comportamento diferenciado da umidade na vertical. Além disto, foi observado em alguns casos um aumento da temperatura do ar (inversão térmica) acompanhado de secagem atmosférica, fenômeno geralmente associado a subsidência de ar. Também foi constatado que a ocorrência de um duto está em geral associada com o aumento do déficit de umidade na camada de duto.
4. Referências Bibliográficas
Correia, M.F. (1994): Dutos troposféricos e a estrutura da camada limite. VIII Congresso Brasileiro de Meteorologia-II Congresso Latino-Americano e Ibérico de Meteorologia. Anais 1. pp. 27-29. Belo Horizonte - MG.
Correia, M.F. e Silva, A.W.L. (1996): Um estudo sobre incidência de dutos troposféricos no semi-árido do Nordeste. IX Congresso Brasileiro de Meteorologia. Anais 1. pp. 670-673. Campos do Jordão - SP.
TABELA 1 – NÚMERO TOTAL DE RADIOSSONDAGENS E PERCENTUAL COM OCORRÊNCIA DE DUTO NO PERÍODO DO EMAS
LOCALIDADE/ESTADO TOTAL PERCENTUAL COM
DUTO DE SUPERFÍCIE DUTO DE ALTITUDE
Barbalha/CE 60 67 85
Campina Grande/PB 56 89 86
TABELA 2 – COMPRIMENTOS DE ONDA E FREQÜÊNCIAS APRISIONADAS NO PERÍODO DO EMAS
LOCALIDADE/ESTADO COMPRIMENTO DE ONDA (m) FREQÜÊNCIA (106Hz)
MÁXIMO MÍNIMO MÉDIO MÁXIMA MÍNIMA MÉDIA
Barbalha/CE 0,051 0,651 0,250 5870 461 1207 Campina Grande/PB 0,116 0,408 0,180 2591 735 1663 Fortaleza/CE 0,052 0,769 0,260 5779 390 1154 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 3:00 7:00 9:00 15:00 18:00 21:00 HORÁRIO DA SONDAGEM (hora local)
NÚMERO DE SONDAGENS (%) 11 11 12 3 13 13 4 12 5 13 13 5 13 5 12 13 5 13 (a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 3:00 7:00 9:00 15:00 18:00 21:00 HORÁRIO DE SONDAGEM (hora local)
NÚMERO DE SONDAGENS (%) 11 11 12 3 12 13 4 12 5 13 13 5 13 5 12 13 5 13 (b)
Fig. 1 – Distribuição percentual, por horário de observação, de sondagens com (a) duto de superfície e (b) duto de altitude, para Barbalha (azul), Campina Grande (vermelho) e Fortaleza (verde), no período do EMAS (24 de março a 5 de abril de 1995). Os valores acima das barras representam o total de sondagens realizadas no horário.
FORTALEZA - 26 DE MARÇO DE 1995 - 21:00 HL 69 26 46 66 86 106 126 146 166 186 206 226 380 385 390 395 400 405 410 ÍNDICE DE REFRAÇÃO MODIFICADO (unidades de refração)
ALTTUDE (m) M (a) FORTALEZA - 26 DE MARÇO DE 1995 - 21:00 HL 26 46 66 86 106 126 146 166 186 206 226 15 20 25 30 35 TEMPERATURA (O C) ALTITUDE (m) T Td (b) FORTALEZA - 26 DE MARÇO DE 1995 - 21:00 HL 26 46 66 86 106 126 146 166 186 206 226 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 COMPONENTES DO VENTO (m/s) ALTITUDE (m) U V (c) FORTALEZA - 26 DE MARÇO DE 1995 - 21:00 HL 26 46 66 86 106 126 146 166 186 206 226 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DÉFICIT DE UMIDADE (mb) ALTITUDE (m) D (d)
Fig. 2 – Ilustração de uma situação de duto de superfície através dos perfis verticais de: (a) índice de refração modificado (M), temperatura do ar (T) e do ponto de orvalho (Td), (c) componente zonal (U) e meridional (V) do vento, (d) déficit de umidade (D). O valor assinalado no perfil vertical de M corresponde a altitude do topo do duto. Essa altitude é indicada pelo círculo cheio em todos os perfis. Valores positivos (negativos) de U representam componente de oeste (leste). Valores positivos (negativos) de V representam componente de sul (norte).
FORTALEZA - 24 DE MARÇO DE 1995 - 15:00 HL 625 574 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 420 425 430 435 440 445 450 ÍNDICE DE REFRAÇÃO MODIFICADO (unidades de refração)
ALTTUDE (m) M (a) FORTALEZA - 24 DE MARÇO DE 1995 - 15:00 HL 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 10 15 20 25 30 TEMPERATURA (O C) ALTITUDE (m) T Td (b) FORTALEZA - 24 DE MARÇO DE 1995 - 15:00 HL 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 COMPONENTES DO VENTO (m/s) ALTITUDE (m) U V (c) FORTALEZA - 24 DE MARÇO DE 1995 - 15:00 HL 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 DÉFICIT DE UMIDADE (mb) ALTITUDE (m) D (d)
Fig. 3 – Ilustração de uma situação de duto de altitude através dos perfis verticais de: (a) índice de refração modificado (M), (b) temperatura do ar (T) e do ponto de orvalho (Td), (c) componente zonal (U) e meridional (V) do vento, (d) déficit de umidade (D). Os valores assinalados no perfil vertical de M correspondem a altitude da base e do topo do duto. Essas altitudes são indicadas pelos círculos cheios em todos os perfis. Valores positivos (negativos) de U representam componente de oeste (leste). Valores positivos de (negativos) de V representam componente de sul (norte).
