Relatório Final do projeto: ”Monitoramento do campo elétrico
atmosférico de tempo bom na região da América do Sul”,
Projeto No 161017
Jean-Pierre Raulin
29 Março de 2017
Os principais objetivos do projeto são: (i) monitoramento do campo elétrico de tempo bom; (ii) operação dos sensores já existentes; (iii) aquisição de 2 novos sensores; (iv) missão de campo na Universidade Estadual da Paraíba; (v) missão de campo no observatório de Huancayo, Peru; (vi) participação em eventos e divulgação dos resultados; (vii) produção científica.
O projeto foi muito bem sucedido, atingindo todas as metas propostas na pedido inicial.
As missões de campo realizadas em 2016 foram descritas em relatórios intermediários, anexados nesse relatório final. A 1ra missão de campo foi realizada no período 22-29 de Novembro de 2016, na Universidade Estadual da Paraíba (UEPB) (ver Anexo I). A 2nda missão de campo foi realizada entre 27/06 e 08/07 de 2016 em Huancayo, Peru, com visitas a Agencia Espacial do Peru (CONIDA), e a base de Punta Lobos (PLO) em Pucusana (ver Anexo II).
As Figuras a seguir mostram desde então as médias mensais obtidas em Campina Grande para os meses de Janeiro, Fevereiro e Março de 2017.
Nota-se uma grande similaridade na forma temporal de cada curva, com um desvio padrão pequeno, indicando que as curvas padrão poderão ser utilizadas para o estudo de distúrbios. Enquanto aos valores absolutos do campo elétrico nota-se uma diferença notável de até 200 V/m, particularmente visível no período entre 00 UT e 06 UT. Esse efeito deverá ser comparado com a variabilidade de parâmetros meteorológicos, de forma específica a velocidade do vento, e a presença de aerossóis.
A curva a seguir é um exemplo da operação de sensores já existentes, nesse caso o sensor localizado em Roraima para o mês de Novembro de 2016.
No que se refere a sensores de altitude, a Figura seguinte mostra a média mensal do campo elétrico atmosférico de tempo bom no período de Outubro de 2016. A curva obtida é compatível com o esperado para sensores de montanha, e portanto similar ao que obtivemos no Observatório do CASLEO.
Distúrbios geofísicos:
Utilizando os dados de CAS e SAV, os dois sensores que estão sendo operando desde 2008 e 2010, respectivamente, estudamos a resposta do Circuito Elétrico Atmosférico Global (GAEC) a distúrbios geofísicos como explosões solares, eventos de partículas energéticas (SEP), e tempestades geomagnéticas. Nos dois primeiros casos, o longo período de observação permitiu utilizar o método das épocas superpostas com ~ 180 eventos de explosões solares e 15 eventos SEP. O método consiste em utilizar uma base de tempo comum a todos os eventos, definindo o tempo 00 horas sendo do máximo de cada evento. A curvas são depois adicionadas, e toma-se o valor médio. Assim, o método permite ressaltar e identificar um eventual efeito de forma significativa se o efeito de
cada evento é apenas marginal. Os resultados são mostrados nas duas figuras a seguir no caso das explosões solares, e no caso de eventos SEP.
Método de épocas superpostas aplicado a ~ 180 explosões solares. O tempo origem, 00 horas indica o máximo de cada explosão.
Método de épocas superpostas aplicado a 15 eventos SEP. O tempo origem, 00 horas indica o máximo de cada evento SEP.
As duas figuras acima mostram que: (i) não há efeito no GAEC associado as explosões solares; (ii) existe um pequeno aumento (~ alguns V/m) significativo do campo elétrico associado aos eventos SEP. No caso (i) o resultado encontrado é muito sólido já que foram muito (~ 180) eventos, incluindo ~ 20 eventos solares de tipo X na classificação GOES. Assim, esse resultado mostra que a mudança de condutividade elétrica na atmosfera devido ao processo de foto-ionização por parte dos fótons solares não é suficiente para ser detectada, ou seja é desprezível. Portanto, o resultado indica que o processo de “recarga” do potencial ionosférico por parte de nuvens carregadas e relâmpagos é muito mais intenso e importante do que o efeito das explosões solares. No caso (ii) existe um aumento significativo e genuíno durante eventos SEP, ou seja durante a precipitação de prótons de alta energia (até 20 GeV). Se for confirmado, o nosso resultado poderia providenciar um diagnóstico muito mais sensível sobre a presença de prótons energéticos do que os monitores de nêutrons.
A figura a seguir mostra o campo elétrico atmosférico registrado pelas estações CAS (CAS1) e SAV (CAS2) (curvas pretas nas figuras do meio e de baixo) durante uma tempestade geomagnética no dia 20 de Junho de 2015 representada pela variação do índice Dst (curva preta figura do topo). A tempestade foi acompanhada de um evento Forbush quando a nuvem magnética associada espelha os prótons incidentes e produz uma diminuição de raios cósmicos secundários registrada na superfície da Terra. Nesse caso, observamos um aumento do campo elétrico (curvas azuis e integradas vermelhas) da ordem de 10 V/m, que fica mais evidente após a subtração de uma base lentamente variável (curvas verdes). Num trabalho futuro, essa subtração poderá ser justificada por exemplo identificando a componente lentamente variável à evolução temporal da concentração de aerossóis no Observatório do CASLEO. A interpretação desse resultado experimental é que houve uma diminuição da condutividade elétrica, provavelmente causada pela redução da quantia de prótons interplanetários precipitando na atmosfera. Consequentemente, sendo constante a densidade de corrente (Lei de Ohm), há um aumento do campo elétrico atmosférico.
Distúrbios atmosféricos:
Em Janeiro de 2016 observou-se variações importantes do campo elétrico atmosférico, junto com aumentos no registros dos sensores de partículas carregadas também instalados e operando no CASLEO. As variações do campo elétrico durante distúrbios atmosféricos são geralmente devido a presença de relâmpagos, e, portanto são bem mais intensas (até dezenas de kV/m) do que as descritas na secção anterior. Estas observações foram publicadas no “Bulletin of the Russian Academy of Science” (ver anexado III)
Participação em eventos:
MOMAG - Porto Alegre, Brazil (25 - 29 Julho 2016). Nesse evento apresentei as pesquisas desenvolvidas no Brasil, no âmbito das atividades da Comissão E da URSI.
American Geophysical Union - San Francisco - USA (12-16 Dezembro2016). O aluno de doutorado José Tacza participou da AGU, apresentando o trabalho "Analysis of the variation of atmospheric electric field during solar events"
Workshop “The Global Atmospheric Electric Circuit (GAEC)” - Mitzpe Ramon - Israel (6 - 10 Fevereiro 2016). Participaram dessa reunião o líder do projeto (Jean-Pierre Raulin) e o aluno de doutorado (José Tacza) com apresentação oral ("The AFINSA network:
presentation and first results") e na forma de painel (“Effects of geophysical disturbances on the atmospheric electric field”).
A rede AFINSA:
Durante o projeto houve um grande esforço para a divulgação da rede AFINSA. Um site foi criado (https://theafinsa.wordpress.com/) onde o usuário pode obter informações sobre a rede assim como sobre os objetivos científicos, e baixar os dados para pesquisar.
Outra atividade importante realizada foi a inclusão da rede AFINSA no programa internacional ISWI (International Space Science Initiative - http://www.iswi-secretariat.org/).
Colaborações:
Em particular durante a nossa participação nos diversos eventos citados acima, foram estabelecidas novas colaborações científicas.
Das mais importantes é a colaboração com a Dra. Keri Nicoll (Cambridge, UK) e Dr. Gilles Harrison (Reading, UK). Como resultado, os dados da rede AFINSA irão integrar a base mundial GLOCAEM (Global Coordination of Atmospheric Electricity Measurements). Outro tema abordado foi a possibilidade da construção de um medidor da corrente atmosférica, o que permitiria também calibrar de forma absoluta as nossas medidas.
Formação de recursos humanos:
A participação dos quatro alunos de IC no projeto foi muito boa. Os alunos mostraram grande interesse, e curiosidade nos problemas científicos abordados. As tarefas foram realizadas com excelente desempenho. É importante ressaltar que o desempenho dos alunos foi muito bom também nas atividades acadêmicas. Dois desses quatro estudantes irão continuar trabalhando com os dados da rede AFINSA, através de outro projeto financiado pelo CNPq. Eles irão continuar a comparação dos dados de campo elétrico atmosférico de tempo bom com os dados meteorológicos (temperatura, pressão e vento), o que permitirá no futuro aprimorar a definição de tempo geralmente utilizada pela comunidade.
Anexo I
Relatório técnico, missão de campo na UEPB, Campina Grande,
22-29 de Novembro de 2016
A missão de campo foi realizada no periodo 22-29 de Novembro de 2016, na Universidade Estadual da Paraíba (UEPB). Participaram dessa missão, o líder Prof. Jean- Pierre Raulin, o doutorando MSc. José Tacza Anaya, o colaborador local Prof. Fernando C.P. Bertoni, assim como o Diretor do Centro de Ciência e Tecnologia (CCT) da UEPB Prof. Edvaldo de Oliveira Alves, e um professor do grupo de Física da Atmosfera.
A missão foi muito bem sucedida com objetivos iniciais de instalação e operação de novos sensores de monitoramento do campo elétrico atmosférico (EFM), todos cumpridos.
No dia 25 de Novembro, ministrei uma palestra apresentado as atividades científicas realizadas no Centro de Rádio Astronomia e Astrofísica Mackenzie (CRAAM) da UPM, incluindo em detalhes os objetivos da instalação dos novos sensores EFM. A plateia foi muito receptiva e mostrou grande interesse.
Os sensores EFM-100 foram instalados e testados em 24 de Novembro de 2016, no teto do prédio do CCT (ver figura 1)
Figura 1: Técnico do CCT durante instalação dos sensores EFM
Na figura 2 mostramos os Prof. Bertoni e Raulin na sala oferecida pelo CCT para operação continua e monitoramento dos sensores EFM. Notamos também, no plano do fundo
bom funcionamento do aplicativo para operação automática dos sensores EFM. Após a instalação os equipamentos foram deixado operando normalmente.
Figura 2: Profs. Bertoni e Raulin no dia da instalação
A instalação foi um sucesso. Como ilustração mostramos na figura 3 (topo) os registros do monitoramento do campo elétrico atmosférico para o dia 27 de Novembro de 2016. Podemos observar que a curva diária está bem comportada. Na mesma figura (abaixo) comparamos com os registros de monitoramento do campo em Boa Vista Roraima (RO), a uma distância ~ de 2500 km. A forma das 2 curvas é muito parecida, indicando que em ambos casos, as propriedades registradas são características globais do campo elétrico atmosférico. O que é o resultado esperado, porem muitas vezes não encontrados por causa dos efeitos locais. Nesse sentido, os resultados obtidos são muito bons e promissoras as futuras longas base de dados.
Figura 3: Comparação do monitoramento do campo elétrico atmosférico no dia 27/11/2016 em Campina Grande (CGR - recém instalado) e Roraima (ROR)
Dado a excelente qualidade dos dados obtidos, já foram escolhidos 2 estudantes do grupo de Física da Atmosfera da UEPB, para começar pequenos projetos de iniciação científica utilizando os novos dados. Similarmente, foi iniciada uma colaboração com pesquisadores da Universidade Federal de Campina Grande (UFCG), para utilização de dados meteorológicos de pressão, temperatura e vento. Os dados da estação da UFCG, localizada a ~ 2 km dos sensores EFM na UEPB, serão importantes para obter curvas médias mensais do campo elétrico atmosférico, livres de efeitos meteorológicos. Finalmente, no dia 26/11/2016 visitamos a faculdade agraria, um anexo da UEPB, localizada em Lagoa Seca, uns 10 km da cidade de Campina Grande. O objetivo foi de avaliar as condições locais e de infraestrutura para instalação e operação de futuros equipamentos no local. Por exemplo, no que se refere ao monitoramento do campo elétrico de tempo bom, a comparação entre Campina Grande e Lagoa Seca poderia permitir inferir o nível de poluição na cidade, e o seu papel nas medidas diárias. O local mostrado na figura 4 foi visitado acompanhado do diretor da faculdade o Dr. Felix, e consideramos o lugar muito bom para futuras colaborações e medidas científicas.
Figura 4: Visita para avaliação de um novo site para instalação de futuros equipamentos, na Faculdade Agraria (UEPB) em Lagoa Seca, Paraíba, PB.
Anexo II
Missão Técnica, Lima, Peru, 27/06/2016 –
08/08/2016
A missão de campo realizada no período 27/06-08/07 de 2016 foi muito bem sucedida cumprindo com todos os objetivos inicialmente propostos.
Serviços realizados:
A verificação dos serviços técnicos realizados pelo CONIDA referente aos sensores EFM já existentes, ocorreu nos dias 27,28/06 e 04/07 no laboratório de eletrônica do
CONIDA, nos dias 29,30/06 no observatório de Huancayo, e no dia 06/07 no
laboratório da base de Punta Lobos em Pucusana. Nesse período, adquirimos também o “know-how” sobre processo de calibração fina, o que permitira reproduzir as
mesmas tarefas com os novos sensores a serem adquiridos neste projeto, e a serem instalados em Campina Grande em setembro de 2016. A tarefas realizadas foram além da proposta inicial, e, assim, um sensor já bastante antigo foi renovado para novas operações.
Visita no observatório de Huancayo:
Foi realizada nos dias 29 e 30 de Junho de 2016. Como mencionado anteriormente, um sensor novamente operacional foi instalado com sucesso. A toma de dados é
automática, e foi instalado um sistema permitindo a visualização da operação do sensor em tempo real, e o “download” dos dados, desde o Mackenzie.
Palestra ministrada no CONIDA:
Em 5 de julho de 2016, ministrei uma palestra no CONIDA com grande participação ouvinte de alunos. O tema foi da Física das Relações Sol-Terra. Enfase na operação e tratamento de dados com os sensores EFM já existentes.
Reunião com os estudantes do CONIDA:
Nos dias 1 e 6 de Julho tivemos várias reuniões com os estudantes do CONIDA. Foram avaliados os avanços das pesquisas em andamento referente aos dados de VLF e dos sensores EFM instalados na base de Punta Lobos em Pucusana. Identificamos uma estudante particularmente brilhante para ser treinada no segundo semestre de 2016, Fernanda Flóres. A estudante irá se inscrever para o processo seletivo do
CAGE/MACKENZIE para o 1ro semestre de 2017.
Reunião com o Diretor do CONIDA:
No dia 7 de Julho tivemos uma reunião com o MAG. FAP. Carlos Elías Rodríguez Pajares
chefe institucional, que confirmou o interesse do CONIDA em continuar apoiando e incentivando as atividades de pesquisa e formação de recursos humanos iniciadas em 2007 com o CRAAM/Mackenzie.
Reunião com o Dr. Edmundo Norabuena – Instituto Geofísico del Peru (IGP):
No dia 7 de Julho visitamos o Dr Noarabuena na sede do IGP em Camacho, Lima, Peru. Foram discutidos os avanços nas colaborações científicas em andamento.
Identificação de novos temas para colaboração científica:
Ao longo desta missão técnica foram conversadas novas ideias para a continuação da colaboração entre o CRAAM/Mackenzie e o CONIDA, em particular com o Diretor do Departamento de Astrofísica do CONIDA, Walter Guevara Day, e o M.Sc. José Luis Otiniano (CONIDA). Foram identificadas várias linhas de pesquisa na área das relações Sol-Terra, monitoramento do campo elétrico atmosférico e detecção de partículas energéticas de origem solar ou não. Assim, um primeiro borrador foi elaborado para aquisição e instalação de módulos de detecção de partículas carregadas energéticas no observatório de Huancayo. É previsto o monitoramento simultâneo do campo elétrico atmosférico. O projeto final deverá ser pronto pra ser submetido em meados de Outubro de 2016 ao Ministério da Defesa do Peru.
Viagem para Huancayo
Base para instalação sensor EFM
Sensor EFM na sua posição final
