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Universidade do Vale do Paraíba
Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento
SÉRGIO LUIS ARANHA
ESTUDO DE ONDAS PLANETÁRIAS NA IONOSFERA EM
BAIXAS LATITUDES E REGIÃO EQUATORIAL.
São José dos Campos, SP.
2006
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SÉRGIO LUIS ARANHA
ESTUDO DE ONDAS PLANETÁRIAS NA IONOSFERA EM
BAIXAS LATITUDES E REGIÃO EQUATORIAL.
São José dos Campos, SP.
2006
Dissertação de Mestrado apresentada ao
programa de Pós-Graduação em Física e
Astronomia da Universidade do Vale do
Paraíba, como complementação dos créditos
necessários para obtenção do título de
Mestre em Física e Astrofísica.
Orientadores: - Prof. Doutor Paulo Roberto
Fagundes
- Prof. Doutor Fábio Becker
Guedes.
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Autorizo, exclusivamente para fins acadêmicos e científicos, a reprodução total ou parcial
desta dissertação por processo fotocopiadores ou transmissão eletrônica.
Assinatura do aluno:
Data:
A682e
Aranha, Sérgio Luis
Estudo de ondas planetárias na ionosfera em baixas
latitudes e regiões equatoriais. / Ségio Luis Aranha. São
José dos Campos: Univap, 2006.
93f.: il.; 30cm.
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Física e Astronomia do Instituto de
Pesquisa e Desenvolvimento-Universidade do Vale do
Paraíba, 2006.
1.Ionosfera 2. Ionossonda 3. Ondas planetárias 4. Regiões
tropicais I. Fagundes, Paulo Roberto,Orientador. II.
Guedes, Fábio Becker, Co-orientador. III. Título
CDU:52-083
ESTUDO DE ONDAS PLANETÁRIAS NA IONOSFERA EM
BAIXAS LATITUDES E REGIÃO EQUATORIAL
.
SÉRGIO LUIS ARANHA
Banca Examinadora:
Prof. Dr. Maurício José Alves Bolzan (UNIVAP)
Prof. Dr. Paulo Roberto Fagundes (UNIVAP)
Prof. Dr. Fábio Becker Guedes (UNIVAP)
Prof. Dr. Delano Gobbi (INPE)
Prof. Dr. Marcos Tadeu Tavares Pacheco
Diretor do IP&D
São José dos Campos 28 de março 2006.
AGRADECIMENTOS
Meus mais sinceros agradecimentos aos professores Dr. Paulo Roberto Fagundes e Dr.
Fábio Becker Guedes pela paciência, encorajamento e o empenho com que dedicaram seu
tempo na orientação deste trabalho durante essa jornada científica.
Agradeço ao professor Dr. Maurício José Alves Bolzan, pelo incentivo e disposição de
sempre ajudar na construção das Wavelet e pelas opiniões construtivas que enriqueceram esse
trabalho, ao amigo Valdir Gil Pillat pelo apoio na área da informática que foram
indispensáveis na realização desse trabalho e à todos os professores e pesquisadores do grupo
de Física e Astronomia da UNIVAP, que direta ou indiretamente contribuíram para o
desenvolvimento deste estudo.
À Universidade do Vale do Paraíba, que através do Instituto de Pesquisa e
Desenvolvimento (IP&D) forneceu infra-estrutura científica e condições materiais e humanas
que contribuíram para a realização deste trabalho.
Ao Centro Universitário Luterano de Palmas (CEULP/ULBAR) por operar a
ionossonda CADI, cujos dados foram utilizados nesse trabalho.
À CAPES pelo apoio financeiro através do programa de bolsa de estudos.
Ao Colégio Adventista de São José dos Campos, pelo apoio financeiro e
disponibilizando horários de estudo para realização desse trabalho.
À minha família, Cheila, Camila e Pedro e a meus pais José Fernando Aranha e Sônia
Maria Aranha, pela colaboração e paciência durante a minha ausência no período de
realização dessa dissertação.
E finalmente a Deus, que conduziu os meus caminhos para chegar até aqui.
RESUMO
A ionossonda digital conhecida como CADI (Canadian Advanced Digital Ionosonde ),
esta operando em São José dos Campos (23.2
o
S, 45.9
o
W; latitude 17.6
o
S) e Palmas (10.2
o
S,
48
o
W, latitude 5.5
o
S), desde agosto de 2000 e abril de 2002 respectivamente. Estas duas
estações de sondagem ionosférica estão localizadas abaixo da crista sudeste da anomalia
equatorial (São José dos Campos) e próximo à região equatorial (Palmas). O presente perfil da
densidade eletrônica da região F será estudado, considerando as variações causadas por
distúrbios geomagnéticos e as mudanças nos aspectos físicos da ionosfera, causados por essas
variações. A propagação de ondas planetárias é um fator importante na variação da
movimentação da ionosfera no seu dia-a-dia. Nessa investigação nos utilizamos à técnica do
uso das multi-freqüências, sondando as variações das alturas virtuais da ionosfera, observadas
em ambas estações, investigando como a camada F é modulada por oscilações do tipo ondas
planetárias. Considerou-se a possibilidade de influências de origem solar na geração de ondas
planetárias (variação da rotação solar e tempestades geomagnéticas). Nesse presente estudo,
foram utilizadas observações de junho de 2003 a maio de 2005. O presente estudo indica a
presença de oscilações com períodos de 2 dias (observações com períodos de 3 dias podem
estar associados com as oscilações quase-2-dias), 4dias, 10dias,16 dias que são períodos
relacionados com ondas do tipo planetárias gerada por forças troposféricas durante todo o
dia.
Palavras chave: Ionossonda, ionosfera, ionograma, ionosfera, ondas planetárias, UDIDA.
ABSTRACT
Digital ionosondes of the type known as the Canadian Advanced Digital Ionosonde
(CADI) are operational at São José dos Campos (23.2
o
S, 45.9
o
W; dip latitude 17.6
o
S) and
Palmas (10.2
o
S, 48
o
W, dip latitude5.5
o
S), Brazil, since August 2000 and April 2002,
respectively. These two ionospheric sounding stations are located under the southern crest of
the ionospheric equatorial anomaly (São José dos Campos) and near equatorial region
(Palmas). The F-layer electron density profiles present considerable day-to-day variability,
even during geo-magnetically undisturbed conditions, and this variability is still one of the
less understood aspects of the physics of the ionosphere. The propagation of planetary waves
into the ionosphere may play an important role in this day-to-day ionospheric variability. In
this investigation we used a technique that uses multi-frequency virtual height variations,
from ionospheric sounding observations at both the stations, to investigate how the F-layer is
modulated by planetary wave type oscillations. We have also considered the possible
influence of oscillations due to solar origin (solar rotation variation). In the present study,
observations from June 2003 to May 2004 have been used. The present study indicates the
presence of 2-day (the observed 3-day periods are possibly associated with the quasi 2-day
oscillations), 4-day, 10-day and 16-day periods related to planetary wave type oscillations due
tropospheric sources during all the day.
Keywords: Ionosonde ,ionosphere, ionogram, planetary wave, Canadian Advanced Digital
Ionosonde, wavelet.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1 - Distribuição vertical média da temperatura em função da altura da camada.Os
valores foram tomados do modelo CIRA-86 (The COSPAR International Reference
Atmosphere)........................................................................................................................3
Figura 1.2 - Representação pictórica clássica da formação de uma partícula carregada (íon). ..7
Figura 1.3 - Representação pictórica clássica da formação de uma partícula neutra. ................8
Figura 1.4 - Diferença da quantidade de camadas durante o dia e a noite..................................9
Figura 1.5 - Visão esquemática dos ventos meridionais médios (norte-sul), de acordo com
Rossby (1940). Os ventos zonais estão indicados pela direção de superfície e pelas letras
E para Leste e W para oeste. As magnitudes das componentes norte-sul dos ventos de
superfície estão exageradas. Fonte adaptada Richard; Walker (1996) p.72 .....................17
Figura: 1.6 - Geometria do Hemisfério Norte e a conservação do momento angular. O
momento angular da unidade de massa fixa na superfície terrestre é menor em B’ que em
A´. A unidade de massa da superfície, ao se movimentar de A para B, tende a conservar
o seu momento. Fonte adaptada Richard; Walker (1996) p.86.........................................18
Figura 1.7 - A força de Coriolis. Um projétil é lançado na direção OD em (a). O seu
movimento subseqüente parece depender da posição assumida pelo observador se está
parado ou girando conforme o disco. Fonte adaptada Richard; Walker (1996) p.87. ......21
Figura 1.8 - Campo de perturbação da vorticidade (+ e —) e campo de vorticidade induzida
(setas tracejadas) para uma cadeia de parcelas de fluido, mostrando o mecanismo de
propagação para onda de Rossby. Fonte adaptada de Holton (1992)...............................23
Figura 1.9 -Exemplo de gráfico do índice Dst de julho de 2003 em dias julianos. Fonte :
WDC for geomagnetism , (Kioto University – Hourly Equatorial Dst Values
Provissional). ....................................................................................................................26
Figura 2.1 - Antena tipo delta da ionossonda, sinal transmitido e sinal recebido. ...................27
Figura 2.2 - Exemplo de um ionograma completo, arquivo tipo md4, obtido em 01 de
dezembro de 2003, às 10:00:20 UT (7:00:20 LT) na região de Palmas. ..........................28
Figura 2.3 - Exemplo de um ionograma com 6 freqüências, arquivo tipo md3, obtido em 10 de
dezembro de 2003, às 05:28:22 UT (02:28:22 LT) na região de São José dos Campos. .29
Figura 2.4 - Representação pictórica da metodologia utilizada para melhorar a estatística dos
ecos obtidos. Variação da altura virtual para freqüências fixas (3 e 4 MHz) e hora fixa
(2:55 - 3:05 UT)................................................................................................................30
Figura 2.5 - Exemplo da variação da altura virtual em função dos dias do mês, freqüências 3,
4, 5, 6, 7 e 8 MHz e 00:00UT, sendo que não foi aplicado qualquer filtro para excluir
alturas indesejáveis. (A) São José dos Campos, dezembro 2003. (B) Palmas, dezembro
2003. .................................................................................................................................31
Figura 2.6 - Exemplo da variação da altura virtual em função dos dias do mês, freqüências 3,
4, 5, 6, 7 e 8 MHz e 00:00UT, com aplicação do filtro para excluir alturas abaixo de 200
km e acima de 500K m. (A) São José dos Campos, dezembro 2003. (B) Palmas,
dezembro 2003..................................................................................................................32
Figura 2.7 - Exemplo da variação da altura virtual em função dos dias do mês, freqüências 3 e
4 MHz e 00:00UT, com aplicação do filtro para excluir alturas abaixo de 200 km e acima
de 500 km. (A) São José dos Campos, dezembro 2003. (B) Palmas, dezembro 2003.....33
Figura 2.8 - Exemplo da variação da altura virtual em função dos dias do mês, freqüências 3 e
4 MHz e 00:00UT, com aplicação do filtro para excluir alturas abaixo de 200 km e acima
de 500 Km em São José dos Campos, de dezembro de 2003 a maio de 2004. ................34
Figura 2.9 - Exemplo da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em
função do dia do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00
LT). ...................................................................................................................................36
Figura 2.10 - Função Ondeleta de Morlet.................................................................................39
Figura 2.11 - Exemplo de Wavelet da média da variação da altura virtual em São José dos
Campos em função do dia do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 00:00
UT (21:00 LT). .................................................................................................................39
Figura 3.1 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para
as freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT). .............................42
Figura 3.2 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para
as freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT). .............................42
Figura 3.3 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para
as freqüências de 6 MHz e 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT). ....................44
Figura 3.4 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para
as freqüências de 3 MHz e 4 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT). ....................44
Figura 3.5 - Exemplo de espalhamento tipo F (figura à esquerda), em Palmas 28 de junho
2003. .................................................................................................................................45
Exemplo de espalhamento do tipo R (Range) (figura à direita), em São José dos Campos, 04
de outubro de 2003 00:00 UT . .........................................................................................45
Figura 3.6 - Exemplo de diferença significativa na altura dos ecos ordinários e extraordinários
em São José dos Campos, 22 de junho de 2003 - 06:00:04UT. .......................................45
Figura 3.7 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT)...................................47
Figura 3.8 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT)...................................47
Figura 3.9 - Variação da altura virtual em Palmas, em função do dia do mês para as
freqüências de 6 e 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT)...................................48
Figura 3.10 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT)...................................48
Figura 3.11 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês
para as freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT). .....................50
Figura 3.12 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês
para as freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT). .....................51
Figura 3.13 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês
para as freqüências de 6 e 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT). .....................51
Figura 3.14 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês
para as freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT). .....................52
Figura 3.15 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT)...................................53
Figura 3.16 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT)...................................54
Figura 3.17 - Variação da altura virtual em Palmas, em função do dia do mês para as
freqüências de 6 e 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT)...................................54
Figura 3.18 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT)...................................55
Figura 3.19 - Média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia
do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT)...................56
Figura 3.20 - Média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia
do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT)...................57
Figura 3.21 - Média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia
do mês para a freqüência de 6 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT)...................57
Figura 3.22 - Média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia
do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT)...................58
Figura 3.23 - Média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT). .......................................59
Figura 3.24 - Média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT). .......................................59
Figura 3.25 - Média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT). .......................................60
Figura 3.26 - Média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT). .......................................61
Figura 3.27 - Wavelet da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em
função do dia do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00
LT). ...................................................................................................................................64
Figura 3.28 -Wavelet da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em
função do dia do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00
LT). ...................................................................................................................................65
Figura 3.29 - Wavelet da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em
função do dia do mês para a freqüência de 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00
LT). ...................................................................................................................................65
Figura 3.30 - Wavelet da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em
função do dia do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00
LT). ...................................................................................................................................66
Figura 3.31 - Wavelet da média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do
mês para as freqüências de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).....................67
Figura 3.32 - Wavelet da média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do
mês para as freqüências de 3 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT).....................68
Figura 3.33 - Wavelet da média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do
mês para as freqüências de 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT).....................69
Figura 3.34 - Wavelet da média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do
mês para as freqüências de 3 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT).....................70
Figura 3.35 - Transformada em Ondeletas (Wavelet) dos índices Dst para o período entre
junho de 2003 a maio de 2004. .........................................................................................71
Figura 3.36 - (a) Sobreposição da Wavelet da Figura 3.27 com a Wavelet da Figura 3.35; (b)
sobreposição da Wavelet da Figura 3.28 com a Wavelet da Figura 3.35; (c) sobreposição
da Wavelet da Figura 3.29 com a Wavelet da Figura 3.35; (d) sobreposição da Wavelet da
Figura 3.30 com a Wavelet da Figura 3.35.......................................................................72
Figura 3.37 - (a) Sobreposição da Wavelet da Figura 3.31 com a Wavelet da Figura 3.35; (b)
sobreposição da Wavelet da Figura 3.32 com a Wavelet da Figura 3.35; (c) sobreposição
da Wavelet da Figura 3.33 com a Wavelet da Figura 3.35; (d) sobreposição da Wavelet
da Figura 3.34 com a Wavelet da Figura 3.35. . ...............................................................72
LISTA DE TABELAS
1. Regiões da ionosfera de acordo com sua altitude...................................................................8
2. Índice Dst inferiores a -50 nT em dias Juliano. ....................................................................73
3. Períodos de oscilação das alturas virtuais da camada F da ionosfera em relação a um
horário pré-estabelecido, para região de São José dos Campos e Palmas. .......................74
LISTA DE SÍMBOLOS
N
Densidade eletrônica
q
Taxa de produção de íons
L
Taxa de perda de íons
ν
velocidade
AM
Modulação em amplitude
Hf
Freqüência alta
β
Recombinação ionosférica
h
Altura
e
T
Temperatura efetiva de um planeta
σ
Constante de proporcionalidade de Stefan-Boltzmam
R
Raio do planeta Terra
Ω
Velocidade angular de rotação da Terra
f
0
parâmetro de Coriolis
y
Diatância meridional
φ
Latitude
α
Raio terrestre
ξ
Vorticidade
ψ
Função de corrente
Φ
Latitude do dipolo
nT
Nanotesla
k
Número de onda
SUMÁRIO
CAPÍTULO 1 ............................................................................................................................1
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................................................1
1.1 Estrutura básica da atmosfera em função da variação da temperatura. ........................2
1.1.1 A Troposfera .........................................................................................................3
1.1.2 A Estratosfera .......................................................................................................4
1.1.3 A Mesosfera..........................................................................................................4
1.1.4 Termosfera ............................................................................................................5
1.1.5 A Exosfera ............................................................................................................5
1.2 Estrutura básica da atmosfera em função da composição iônica..................................5
1.2.1 Ionização................................................................................................................6
1.2.2 As regiões da Ionosfera.........................................................................................8
1.2.3 A camada D ........................................................................................................10
1.2.4 A camada E.........................................................................................................10
1.2.5 A camada F1 .......................................................................................................11
1.2.6 A camada F2 .......................................................................................................11
1.3 Ondas na atmosfera.....................................................................................................12
1.3.1 Ondas de gravidade..............................................................................................12
1.3.2 Marés atmosféricas .............................................................................................14
1.3.3 Ondas Planetárias................................................................................................15
1.4 Índices de Atividades Magnéticas .............................................................................23
1.4.1 Elementos para medidas do Campo Magnético Terrestre ..................................23
1.4.2 Índice do AE .......................................................................................................24
1.4.3 Índice Ak.............................................................................................................25
1.4.4 Índice Kp............................................................................................................25
1.4.5 Índice Dst............................................................................................................25
CAPÍTULO 2 ..........................................................................................................................27
2.
TÉCNICA DE OBSERVAÇÃO E ANALISE DE DADOS..............................................27
2.1 Ionossonda Digital CADI. ..........................................................................................27
2.2 Análise dos dados ......................................................................................................29
2.3 Filtragem dos dados...................................................................................................32
2.4 Média das alturas virtuais ...........................................................................................35
2.5 Análise da Transformada em Ondeletas (Wavelet). ...................................................36
CAPÍTULO 3 ..........................................................................................................................40
3. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS E ANALISE ..................................................40
3.1 Apresentação dos dados pré-processados. ..................................................................40
3.1.1 Apresentação dos dados pré-processados de São José dos Campos....................41
3.1.2 Apresentação dos dados pré-processados de Palmas...........................................46
3.2 Apresentação dos dados pré-processados e filtrados..................................................49
3.2.1 Dados pré-processados e filtrados de São José dos Campos...............................49
3.2.2 Dados pré-processados e filtrados de Palmas......................................................52
3.3 Apresentação das médias dos dados filtrados.............................................................55
3.3.1 Apresentação das médias dos dados filtrados para São José dos Campos. .........55
3.3.2 Apresentação das médias dos dados filtrados para Palmas. ................................58
3.3 Apresentação das Wavelet das médias dos dados filtrados. .......................................61
3.3.1 Apresentação das Wavelet para São José dos Campos........................................62
3.3.2 Apresentação das Wavelet para Palmas...............................................................66
3.4 Apresentação das Wavelet dos índices DST...............................................................70
CAPÍTULO 4 ..........................................................................................................................74
4. CONCLUSÃO .......................................................................................................................74
REFERÊNCIAS
1
CAPÍTULO 1
1. INTRODUÇÃO.
O Brasil, pela sua localização geográfica, pela sua extensão territorial, pelo contraste
de seus ecossistemas, pela grande extensão Equatorial do seu território e principalmente pela
não coincidência entre os equadores geográfico e magnético é um laboratório natural
extremamente interessante para o estudo da dinâmica da atmosfera superior e da ionosfera, ou
seja, estudo da propagação de ondas de gravidade, marés e ondas planetárias agindo sobre a
atmosfera. A atmosfera se estende por centenas de quilômetros, sendo que estudos estimam
sua altura em mais de 1000 Km, dividida em camadas ou regiões atmosféricas com
propriedades e características físicas distintas. É importante notar que a atmosfera não foi
sempre como é hoje, ocorreram sucessivas adaptações a diferentes períodos geológicos. Hoje,
ao nível do mar, a atmosfera é constituída de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e apenas
1% de outros gases (argônio, xenônio, neônio, gás carbônico e outros). Todas as
características da Terra e o próprio ambiente terrestre tal como o percebemos dependem
essencialmente do ar. Sem a atmosfera, não haveria vento, nuvens ou chuva; não existiria céu
azul, nem crepúsculos ou auroras. Também não haveria o fogo, pois toda combustão resulta
da união do oxigênio com as substâncias que queimam; não existiria o som, pois o que
chamamos de som é a vibração das moléculas de ar contra o tímpano. Sem ar, enfim, as
plantas não poderiam se desenvolver e não haveria vida neste planeta.
Além de suas demais propriedades, a atmosfera serve de imenso escudo que protege a
Terra da violência dos raios solares, absorvendo as radiações de ondas curtas, mais
perniciosas à vida humana. À noite, funciona como teto de vidro de uma gigantesca estufa,
conservando o calor do dia e impedindo que ele se perca todo no espaço.
2
Em função de sua imensa espessura, e pelo fato de não apresentar forma homogênea
em toda sua extensão, a atmosfera pode ser classificada com relação ao seu perfil de
temperatura (variação de temperatura) ou com relação a sua composição iônica (densidade
eletrônica) (KIRCHHOFF, 1995).
Este trabalho tem como objetivo principal identificar oscilações periódicas compatíveis
com ondas planetárias na ionosfera sobre território brasileiro, a partir da análise espectral tipo
Wavelets de dados obtidos das ionossondas digitais obtidos em São José dos Campos (23,2°S,
45,9°W) e Palmas (10,28°S, 48,33°W). O trabalho não se preocupa em esclarecer tais
oscilações, como são produzidas pelas atividades geomagnéticas ou pelas influências
meteorológicas.
1.1 Estrutura básica da atmosfera em função da variação da temperatura.
Em uma de suas classificações pode ser descrita como uma série de camadas definidas
a partir de suas características térmicas. Especificamente, cada camada é uma região onde a
temperatura muda com relação à altitude, apresentando uma declividade (aumento ou
decréscimo). As camadas são chamadas de “esferas” e os contornos de “pausas”
(SOLOMON; BRASSER, 1984).
A atmosfera é constituída de cinco camadas: Troposfera, Estratosfera, Mesosfera,
Termosfera e Exosfera. A divisão da atmosfera terrestre de acordo com o comportamento
vertical do gradiente de temperatura é convenientemente feita em camadas, as quais são
separadas por regiões de transição denominadas pausas: Tropopausa, Estratopausa e
Mesopausa. A Figura 1.1 mostra a divisão da atmosfera da Terra de acordo com as altitudes
em relação à superfície terrestre e a variação da temperatura absoluta no local, da Troposfera
até a Termosfera obtida do modelo CIRA-86 (The COSPAR International Reference
Atmosphere).
3
Figura 1.1 - Distribuição vertical média da temperatura em função da altura da camada.Os valores
foram tomados do modelo CIRA-86 (The COSPAR International Reference Atmosphere).
1.1.1 A Troposfera
As variações climáticas acontecem na camada inferior da atmosfera, chamada
Troposfera. Essa camada se estende até 20 km do solo no equador, e a aproximadamente
10km nos pólos. Nessa camada a temperatura decresce com a altitude a partir de
aproximadamente 290 K (17°C) à superfície, numa taxa quase constante em torno de
6,5°C/km, até cerca de 220 K (-53°C) por volta de 11 km nas regiões polares, e de 16 km na
região equatorial, dependendo da estação do ano. Essa diminuição é devido à expansão
adiabática da atmosfera que foi aquecida pelo calor do solo que absorveu a radiação solar.
Como o aquecimento da superfície não é uniforme e o ar aquecido tende a subir enquanto o ar
mais frio tende a descer, processos convectivos e turbulentos são gerados nesta camada. A
absorção da radiação solar direta pela superfície terrestre é o principal processo de
aquecimento na Troposfera. Considerando-se os processos físicos que ocorrem na atmosfera
terrestre, observa-se que uma de suas características principais é a mistura quase constante de
gases até cerca de 110 Km de altura, dada a predominância da difusão turbulenta. Esta região
160 200 240 280 320 360 400
0
20
40
60
80
100
120
DIVISÃO DA ATMOSFERA EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA
Tropopausa
Estratopausa
Mesopausa
Termosfera
Mesosfera
Estratosfera
Troposfera
ALTURA (km)
TEMPERATURA (k)
4
atmosférica é também chamada de homosfera, e é composta principalmente de nitrogênio
molecular (N
2
~78%), de oxigênio molecular (O
2
, 21%) e de argônio, (Ar, ~ 1,3%). Ainda são
encontrados, embora em quantidade pouca quantidade, o dióxido de carbono (CO
2
), vapor
d'agua (H
2
O) e ozônio (O
3
), os quais são muito importantes, dada a capacidade de absorver
radiação solar direta (LIMA, 2004).
1.1.2 A Estratosfera
A Estratosfera é a camada acima da Tropopausa, na qual a temperatura aumenta com a
altitude, atingindo cerca de 270 K (-3°C) em torno de 50 Km, resultado da absorção da
radiação ultravioleta solar pelo ozônio, cuja razão de mistura volumétrica alcança o máximo
em torno de 35 Km de altura. A absorção da radiação aumenta o nível da temperatura
agitando as moléculas de ozônio que, ao colidirem com outras moléculas, promovem o
aumento da sua vizinhança. A importância da camada de ozônio reside no fato do ozônio
auxiliar na manutenção do balanço de calor e reduzir a quantidade de radiação ultravioleta
que alcança a superfície terrestre. Chegam até a Estratosfera os balões meteorológicos, os
aviões supersônicos e as nuvens geradas por explosões atômicas. É na Estratosfera que ocorre
o efeito estufa, que é um fenômeno que resulta no aquecimento da atmosfera do planeta,
intensificado pela emissão de certos gases para a atmosfera, como o dióxido de carbono
(CO
2
), produzida na queima de combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural) e por
queimadas. O assunto tem merecido atenção da comunidade científica mundial pelos reflexos
e conseqüências resultantes na vida de todos os moradores do planeta. (NOVAIS, 1988).
1.1.3 A Mesosfera
A Mesosfera é a camada que se encontra acima da Estratopausa. Nesta região, o
processo de radiação é muito importante na remoção de calor e a temperatura decresce com a
5
altura. As temperaturas mais frias da atmosfera terrestre são atingidas na região da Mesosfera,
podendo alcançar valores menores que 180 K (-93°C) na Mesopausa em torno de 100 Km. As
baixas temperaturas da região mesosférica e da Mesopausa não podem ser explicadas apenas
através de considerações radioativas, é necessário recorrer aos processos dinâmicos
decorrentes dos movimentos ondulatórios e de transferência de momentum.
1.1.4 A Termosfera
A Termosfera é a camada acima da mesopausa, que vai de 85 a 550 km de altitude. A
temperatura aumenta rapidamente com a altitude até atingir o limite máximo de 1473 K
(1200 ° C) que é a temperatura exosférica. A alta temperatura dessa região é decorrente de
processos de absorção da radiação solar direta no ultravioleta e no extremo ultravioleta. Esses
processos se iniciam com o bombardeamento de moléculas, átomos e íons derivados do
nitrogênio e oxigênio. (NOVAIS, 1998).
1.1.5 A Exosfera
A camada superior da atmosfera fica a mais ou menos 1000 km acima da Terra sendo
denominada Exosfera. O ar é muito rarefeito e as moléculas de gás "escapam" constantemente
para o espaço. Por isso é chamada de exosfera (parte externa da atmosfera).
1.2 Estrutura básica da atmosfera em função da composição iônica.
A atmosfera também pode ser classificada com relação a sua densidade eletrônica. Sua
formação, nesse caso, deve-se à produção de íons principalmente por absorção de raios X e
extremo ultravioleta solar, acarretando também, aquecimento. Íon de elevada energia cinética
também pode produzir ionização por colisão. A região composta por moléculas ionizadas, isto
é, carregadas eletricamente, é chamada de ionosfera.
6
A Ionosfera, termo sugerido por Watt-Watson em 1926 segundo Rishbet e Garriott,
(1969), é a região da atmosfera terrestre formada pela interação entre os átomos e moléculas
neutras existentes na atmosfera, com as fontes ionizantes solares e cósmicas, resultando em
um plasma com alta densidade de cargas livres, o plasma ionosférico. É nessa região que fica
acima de 70 km de altitude, as ondas de rádio emitidas do solo são refletidas de volta para a
Terra. Na ionosfera ocorrem diversos fenômenos físicos, entre eles podemos destacar: as
auroras polares, que são visíveis nas regiões polares e a desintegração dos meteoros
provenientes do espaço, que são popularmente conhecidos como estrelas cadentes. O estudo
da ionosfera, suas variações e propriedades são a parte principal deste trabalho.
1.2.1 A Ionização
A ionização surge devido a processos em que os elétrons, que são negativamente
carregados, são removidos ou unidos a átomos ou moléculas neutras para formar íons
carregados positivamente, íons carregados negativamente e elétrons livres. Os elétrons são os
elementos mais importantes em termos de propagação de ondas de rádio em alta freqüência
( 3 a 30 MHz), pois são muito mais leves que os íons podendo se mover mais livremente. A
radiação do Sol, quando atinge a atmosfera terrestre, provoca a ionização dos átomos e
moléculas, assim, elétrons livres são produzidos quando esta radiação colide com os átomos e
as moléculas neutras (Figura 1.2). Como o processo de fotoionização requer a radiação solar,
a produção dos elétrons ocorre somente na ionosfera do hemisfério que está iluminado.
7
Figura 1.2 - Representação pictórica clássica da formação de uma partícula carregada (íon).
Quando um elétron livre combina-se com um íon carregado positivamente, geralmente
uma partícula neutra é formada (Figura 1.3). Essencialmente, a perda é o processo oposto à
produção. A perda dos elétrons ocorre continuamente, dia e noite. Essa dinâmica de formação
de íons e elétrons livres é a principal característica da ionosfera. Uma vez formada a
ionosfera, os íons e elétrons tendem a se recombinar e reagir com outras espécies de gases e
produzir outros íons. Assim, há um equilíbrio dinâmico no qual a concentração líquida de
elétrons livres (densidade eletrônica N) depende da taxa de produção e perda. Em termos
gerais, a taxa de troca de densidade eletrônica é expressa pela equação da continuidade 1.1
(HARGREAVES, 1992).
),.(NvLq
t
N
∇−−=
∂
∂
(1.1)
onde q é a taxa de produção, L é a taxa de perda e ).(Nv∇ expressa a produção/perda de
elétrons pelo transporte, sendo
v
a velocidade.
8
Figura 1.3 - Representação pictórica clássica da formação de uma partícula neutra.
1.2.2 As regiões da Ionosfera
A Ionosfera é uma região que se estende desde uma altura de aproximadamente 70 km
até acima de 1000 km. A radiação solar é responsável pela ionização das moléculas da
atmosfera que produz um gás ionizado chamado plasma. O constituinte iônico do plasma da
ionosfera é proveniente dos vários constituintes da atmosfera, principalmente o oxigênio
atômico (O
+
) e o óxido Nítrico (NO). O que define a ionosfera é a presença de uma densidade
de cargas livres de elétrons e íons em densidade suficiente para influenciar as características
de ondas de rádio que nela se propagam. Essa densidade eletrônica varia em função da
densidade dos constituintes e da razão de fotoionização. De acordo com o perfil de densidade
eletrônica, a atmosfera divide-se nas regiões D, E, F1 e F2. Suas escalas aproximadas de
altura durante o dia, são descritas na Tabela 1.
Tabela 1- Regiões da ionosfera de acordo com sua altitude. (valor aproximado durante o dia).
REGIÃO INÍCIO TÉRMINO
D 70 km 90 km
E 90 km 150 km
F1 150 km 200 km
F2 200 km 1000 km
9
A presença ou ausência das camadas na ionosfera e a sua altitude varia com a posição
do Sol. Ao meio dia, a radiação na ionosfera é máxima, enquanto à noite é mínima. Quando a
radiação desaparece uma grande porção das partículas que estavam ionizadas recombinam-se.
No espaço de tempo entre estas duas condições, a posição e número de camadas ionizadas da
ionosfera mudam, como mostra a Figura 1.4. Como a posição do Sol varia diária, mensal e
anualmente relativamente a um determinado ponto na terra, o exato número de camadas
presentes é extremamente difícil de se determinar. No entanto, podemos dizer que o
aparecimento das camadas atmosféricas varia de acordo com a incidência da luz solar,
fazendo com que durante o dia haja um maior número de camadas e durante a noite, quando
as moléculas ionizadas começam a ficar neutra, em função da absorção dos elétrons livres, a
quantidade de camadas presente é menor (Figura 1.4).
Figura 1.4 - Diferença entre a quantidade de camadas ionosféricas durante o dia e durante a noite.
10
1.2.3 A camada D
A camada D situa-se entre 70 e 90 km acima da terra. A ionização na camada D é
pequena, pois, sendo a camada mais baixa é a que menos radiação recebe. Para freqüências
muito baixas, a camada D e o solo atuam como um gigantesco guia de ondas, tornando
possível a comunicação através do uso de grandes antenas e emissores muito potentes. A
camada D absorve as freqüências médias e baixas. A partir de 3 MHz, a camada D começa a
perder as características absorventes. Comunicação à longa distância só é possível para
freqüências até 30 MHz. Após o pôr do Sol, a camada D desaparece por causa da rápida
recombinação dos íons. Comunicações em baixas e médias freqüências tornam-se possíveis
nesse período. É por esta razão que as estações em AM, onda médias, se comportam de forma
diferente à noite. Neste caso os sinais que atravessam a camada D não são absorvidos,
mas são propagados pelas camadas E e F.
1.2.4 A camada E
A camada E situa-se entre 90 e 150 km de altitude aproximadamente. A recombinação
ionosférica é bastante rápida após o pôr do Sol, causando a sua desaparição no meio da noite.
Em algumas ocasiões, dependendo das condições do vento solar, e energia absorvida durante
o dia, pode permanecer esporadicamente à noite, quando isto ocorre é chamada de Camada E
Esporádica. Esta camada tem a particularidade de ficar mais ativa quanto mais
perpendiculares são os raios solares que incidem sobre si durante o dia. A energia acumulada,
passa a ser liberada lentamente à noite, em algumas ocasiões, pode se formar entre a camada
E e a camada F, em outras abaixo da camada E. Algumas vezes esta se forma durante o dia
11
deixando na região onde se forma uma grande densidade eletrônica. Também pode se
comportar de forma a absorver a radiofreqüência, porém sua característica maior é refleti-la.
1.2.5 A camada F1
A camada F1 encontra-se entre 150 e 200 km de altitude. Durante o dia, a camada F
separa-se em duas camadas, F1 e F2. Geralmente durante a noite, a camada F1 desaparece. A
camada F produz o máximo de ionização após o meio dia, mas os efeitos do ciclo diário são
menos pronunciados que nas camadas D e E. Os átomos da camada F permanecem ionizados
por um longo período após o pôr do Sol, e durante o pico de atividade solar, podem
permanecer ionizados durante toda à noite.
1.2.6 A camada F2
A camada F2 situa-se entre 200 km a 1000 km de altitude e engloba toda a região
superior da ionosfera. A camada F2 é responsável pela maior parte das comunicações Hf de
longa distância (acima de 500 km). A freqüência máxima que a camada F2 reflete depende do
ponto do ciclo Solar em que estamos. No pico do ciclo Solar, a camada F2 pode refletir sinais
até 100 MHz. Durante o sopé do ciclo Solar a freqüência máxima utilizável pode descer até
10 MHz. A explicação para essa variação nas freqüências refletidas está no coeficiente de
recombinação. Para explicar melhor essa recombinação, temos que considerar a parte superior
da ionosfera, onde a recombinação é dominada pelo tipo β, com o coeficiente dependendo da
concentração do N
2
. Devemos considerar também que a taxa de produção depende da
concentração de O
+
. Assim no equilíbrio entre a perda e a produção, temos a equação 1.2:
[]
[]
() ()
+−∝∝=
22
exp
NH
h
OH
h
N
Oq
Ne
β
, (1.2)
12
onde, H(O) e H(N
2
) são respectivamente as escalas de altura de O e N
2
. Considerando que as
massas de N
2
e O estão na razão de 1:1, 17 a equação 1.2 se transforma na equação 1.3:
⋅∝
−⋅−∝
)(
75,0exp
)(
)(
1
)(
exp
2
OH
h
NH
OH
OH
h
Ne
. (1.3)
Assim, a região F2 fica caracterizada porque há um aumento da densidade eletrônica
com a altura, pois a taxa de perda cai mais rapidamente que a de produção. Isso ocorre até
uma altura limite, onde surge o pico da região F2, por volta de aproximadamente 250 a
300 km. A partir daí começam a surgir outros processos difusivos que potencializam os
processos de perda (DENARDINI, 1999).
1.3 Ondas na atmosfera
As ondas atmosféricas são movimentos que podem transmitir energia e momentum
sem transportar material de parcelas de ar e são causadas por perturbações que provocam
desequilíbrio do ar desde um estado básico, e são possíveis graças às forças restauradoras, as
quais, por oposição às perturbações, suportam oscilações locais nas propriedades dos campos
atmosféricos. Na atmosfera terrestre, as ondas governadas por forças de compressibilidade do
ar são as ondas acústicas, as devido à força da gravidade são as ondas de gravidade e aquelas
devido às forças rotacionais são ondas de escala planetária Rossby. De acordo com o seu
período, as principais ondas atmosféricas de interesse geofísico são categorizadas como ondas
de gravidade, marés atmosféricas e ondas planetárias.
1.3.1 Ondas de gravidade
Com a utilização de foguetes de sondagem e de métodos indiretos para medida dos
ventos na alta atmosfera nos anos 50, observou-se que esta característica é bastante diferente
em relação à baixa atmosfera. O perfil vertical do vento na alta mesosfera e baixa termosfera
13
apresentava altos valores e enorme variação com a altura. Uma série de estudos realizados
nesta época explicou que estes ventos irregulares não eram tão irregulares assim, mas que
podiam ser explicados como sendo provenientes de uma soma de modos de propagação de
ondas internas, as ondas de gravidade internas.
As ondas de gravidade podem ser definidas como perturbações ondulatórias
transversais que se propagam horizontalmente e verticalmente na atmosfera, tendo períodos
característicos desde minutos até horas e escala espacial desde alguns quilômetros até
milhares de quilômetros. Estas ondas se propagam ascendentemente na atmosfera e crescem
exponencialmente em amplitude, devido ao decréscimo exponencial da densidade com a
altura, até alcançarem um nível crítico onde elas quebram, depositando assim energia e
momentum. A propagação vertical das ondas de gravidade é um assunto de particular
interesse, uma vez que elas transportam energia e momentum para níveis mais altos da
atmosfera, produzindo flutuações nos ventos e na temperatura das camadas menos densas,
cujas magnitudes são várias ordens de grandeza maiores do que àquelas provocadas nas
camadas mais densas onde as mesmas são geradas ( MCLANDRESS, 1998).
Dada a estratificação da atmosfera, quando uma parcela de fluido é deslocada
verticalmente, atua sobe a mesma uma força restauradora devida ao desbalanço entre a força
do gradiente de pressão e a força de gravidade. As oscilações resultantes nos campos
atmosféricos são chamadas de ondas de flutuabilidade ou ondas de gravidade (HOLTON,
1992), cujas velocidades de propagação são normalmente bem menores do que as ondas
sonoras. Uma vez que qualquer perturbação que introduza uma mudança na atmosfera dentro
de uma escala de tempo desde poucos minutos até várias horas pode gerar ondas de gravidade
(HINES, 1974), várias fontes de geração para estas oscilações, tanto na alta como na baixa
atmosfera, têm sido propostas dentre as quais destacam-se: instabilidades, escoamento
14
atmosférico sobre topografia irregular, atividades frontais e tempestades convectivas, entre
outras (TAYLOR; HAPGOOD, 1988).
1.3.2 Marés atmosféricas
As marés atmosféricas são oscilações em escala global, produzidas por uma
combinação de ações gravitacionais do sol e da lua sobre a Terra e pela ação térmica do sol,
cujos períodos são sub harmônicos de um dia solar, e ainda podem ser migrantes ou não
migrantes. O aquecimento diário do sol produz um efeito de maré na atmosfera muito mais
intenso do que o causado pela ação gravitacional. As marés solares migrantes são aquelas que
acompanham o movimento aparente do Sol, e constituem-se no fenômeno dinâmico mais
regular e distinto observado na alta mesosfera e baixa termosfera, contribuindo
substancialmente para a dinâmica desta região (VIAL, 1989; TSUDA et al, 1999). As
características básicas dos seus componentes diurnos e semidiurnos podem ser descritas pela
teoria clássica de marés (CHAPMAN; LINDZEN, 1970), porém para um melhor
entendimento quantitativo torna-se necessário considerar uma atmosfera básica realística além
de uma parametrização apropriada dos forçantes, considerando-se ainda os efeitos de
dissipação.
As marés térmicas migrantes são induzidas por mecanismos térmicos devido à
absorção atmosférica periódica de radiação solar, seguida de aquecimento principalmente pela
absorção de radiação do infravermelho próximo pelo vapor d’água na troposfera; do
ultravioleta pelo ozônio na estratosfera; das bandas e do contínuo de Schumann-Runge pelos
O2 e N
2
na baixa termosfera; e do ultravioleta extremo pelo oxigênio na alta termosfera. A
excitação associada a estes mecanismos produz componentes propagantes e evanescentes de
marés principalmente diurna e semidiurna. A dissipação das marés atmosféricas ocorre em
toda a atmosfera, podendo ser atribuída a diversos fatores tais como o arraste iônico,
15
viscosidade molecular e turbulenta, e amortecimento radioativo, ou relaxação newtoniana
(HAGAN et al, 1995).
1.3.3 Ondas Planetárias
As ondas planetárias são de grande estrutura horizontal, da ordem do diâmetro
terrestre, com períodos maiores do que um dia. Processos convectivos, interações não lineares
entre marés atmosféricas e ondas de gravidade ou modos diferentes de ondas de marés,
variações isoladas na topografia, e aquecimento diferencial entre continentes e oceanos têm
sido apontados como fontes geradoras das ondas planetárias (BEER, 1974). A variação do
efeito da força de Coriolis com a latitude age sobre a atmosfera como uma força externa,
tendo como resultado ondas horizontalmente transversais com comprimentos de onda
horizontais de milhares de quilômetros. (VOLLAND, 1988).
De acordo com Madden (1979), as primeiras observações de ondas planetárias com
propagação de fase para oeste foram realizadas na década de 50 a partir de dados de ventos e
altura geopotencial. A partir da decomposição em harmônicos esféricos das funções de
corrente para os níveis de 500 e 1000 mb do hemisfério norte, Eliasen e Machenhauer (1965)
encontram modos com velocidades consistentes com resultados teóricos. Através de análises
espectrais dos dados de pressão nos níveis do mar e de 500 mb, Madden e Julian (1972)
identificaram ondas de 5 dias como primeiro nodo simétrico de número de onda zonal 1, para
uma atmosfera isométrica. Através de análises espectrais de séries complexas de dados
meteorológicos, Ahlquist (1982) encontrou ondas com períodos entre 2 e 30 dias.
Na região da alta mesosfera e baixa termosfera, tipicamente as ondas planetárias
também assumem períodos próximos a 2, 4, 5, 10 e 16 dias (SALBY, 1984; FORBES, 1995).
Análises de ventos meteorológicos obtidos sobre Atlanta (34° N, 84° W), Estados Unidos,
revelaram a ocorrência de flutuações regulares com diversos períodos, as quais foram
16
interpretadas como modos normais de Rossby. Simulações teóricas procedidas por Salby
prevêem a propagação ascendente de modos normais para uma situação em que velocidade de
fase da onda é menor do que a do vento zonal médio. Desde então, a presença destas
oscilações, na região próxima a mesopausa, têm sido aquelas com períodos próximos a 2, 5 e
16 dias (MANSON et al., 1987; WILLIAMS; AVERY, 1992).
A perturbação de quase-dois-dias constitui-se na mais distinta dentre as oscilações
observadas na região da alta mesosfera e baixa termosfera. Suas características foram bastante
estudadas e os resultados mostram que essa perturbação está associada a uma oscilação de
escala planetária que se propaga para a direção oeste, a qual ocorre regularmente durante o
verão, exibindo grandes amplitudes desde as baixas até as altas latitudes. As máximas
amplitudes têm sido registradas em torno de 95 km de altura (CRAIG; ELFORD, 1981),
sendo maiores no hemisfério sul do que no hemisfério norte (HARRIS; VICENT, 1993).
Essas perturbações foram interpretadas como uma manifestação de ondas mistas,
denominadas de Rossby-gravidade.
Os planetas recebem toda a sua energia do Sol. A taxa pela qual um planeta absorve
energia solar depende da sua distância em relação ao Sol, porque o fluxo da radiação solar
varia inversamente com o quadrado dessa distância. Nem toda a radiação interceptada por um
planeta é absorvida, pois uma fração da energia incidente é refletida para o espaço pelas
nuvens ou pela superfície. Essa fração é chamada o albedo de um planeta. A densa atmosfera
terrestre armazena grande quantidade dos raios solares difusos por causa da obliqüidade, nas
regiões polares. A neve, o gelo e também a nebulosidade geral tendem a aumentar o albedo
nas proximidades do pólo, de modo que o produto fluxo solar incidente multiplicado pela
unidade menos o albedo é maior nas regiões tropicais, tanto no verão como no inverno. A
temperatura calculada dessa maneira é chamada de temperatura efetiva de um planeta (T
e
) ,
17
onde σ é a constante de proporcionalidade, denominada constante de Stefan-Boltzmam (σ =
5,67.10
-5
erg cm
-2
grau
-4
s
-1
).
4
4
)1(
σ
×
−×
=
albedoFluxosolar
aTemperatur . (1.4)
Conforme equação 1.4 apresenta, há tendências para que as temperaturas mais
elevadas ocorram nas regiões mais tropicais, fato que é verificado pelas observações.
Também é verdade o fato de que a diferença de temperatura entre o equador e o pólo é muito
menor no hemisfério do verão que no inverno. Se relacionarmos as diferenças de temperatura
com as de pressão, tem-se maior aceleração do ar no inverno que no verão. Observando a
Figura 1.5, podemos estabelecer que a circulação global de Hadley na Terra será na direção
norte-sul, perpendicular à velocidade superficial de rotação do planeta Terra. (RICHARD;
WALKER 1996).
Figura 1.5 - Visão esquemática dos ventos meridionais médios (norte-sul), de acordo com Rossby
(1940). Os ventos zonais estão indicados pela direção de superfície e pelas letras E para Leste e W
para oeste. As magnitudes das componentes norte-sul dos ventos de superfície estão exageradas.
Fonte adaptada Richard; Walker (1996, p.72).
18
Quando as escalas espaciais dos movimentos são da ordem de milhares de quilômetros,
os efeitos de rotação da Terra não podem ser desprezados e um referencial em rotação deve
ser considerado. A força de Coriolis com a latitude age sobre a atmosfera como uma força
externa, tendo como resultado ondas horizontalmente transversais com comprimento de
milhares de quilômetros, as quais são denominadas ondas planetárias, e cujo estudo é
realizado levando-se em conta a esfericidade terrestre.
Vamos considerar uma pequena parcela de ar com massa de um grama, inicialmente
localizada do equador (pontos A e A’ na Figura 1.6). Se o planeta Terra tem um raio de R e
velocidade angular de rotação de Ω radianos por segundo, o momento angular dessa parcela é,
conforme a definição Ω x R
2
. O sentido do movimento angular é o da rotação da Terra de
Oeste para Leste.
Figura: 1.6 - Geometria do Hemisfério Norte e a conservação do momento angular. O momento
angular da unidade de massa fixa na superfície terrestre é menor em B’ que em A´. A unidade de
massa da superfície, ao se movimentar de A para B, tende a conservar o seu momento. Fonte
adaptada Richard; Walker (1996. p.86).
Suponha que a parcela seja movimentada de A para B (Figura 1.6) pela circulação de
Hadley, sem experimentar qualquer força de direção leste-oeste. Uma das conseqüências da
lei do movimento de Newton assinala que o momento angular dessa parcela permanecerá
constante. Entretanto, a parcela será mantida na proximidade da superfície do planeta pela lei
da gravidade, e a sua distância do eixo de rotação mudou de R para R cosø, onde ø é a latitude
19
(Figura 1.6); então a velocidade angular do ar deve mudar se o produto do raio (R
2
) e a
velocidade angular permanecer constante. Se a nova velocidade angular do ar é Ω’, podemos
escrever a equação 1.5:
Ω’(Rcosø)
2
= ΩR
2
. (1.5)
Essa é a expressão da lei de conservação do momento angular. Uma vez que cosø em
geral é igual à unidade na superfície angular Ω’ é maior que Ω. Para um observador situado
em B’, portanto, para a parcela de ar proveniente de AA’ parece girar mais rapidamente que o
planeta e ter uma velocidade de vento de oeste em relação á superfície.
Podemos inverter o argumento e considerar outra parcela partindo de B e com
velocidade angular Ω da superfície em B’. Quando ela atingir A, terá uma velocidade angular
Ω’, menor que a da superfície A’. Então, com respeito a superfície ela aparecerá como vento
de direção leste. Começamos a perceber, porque os sistemas de ventos da Terra possuem
componentes acentuadas de direção leste-oeste; ao mesmo tempo torna-se claro que o
movimento do ar em um planeta em rotação pode ser muito complicado.
Um aspecto interessante das leis da física reside na maneira pela qual elas podem
depender do sistema de referência do observador. As leis do movimento de Newton requerem
que uma partícula permaneça em estado de repouso ou em movimento uniforme em linha reta,
a menos que seja influenciada por uma força externa. Essa afirmação, entretanto, depende do
sistema de referência. Ela refere-se a um sistema de inércia, para qual o universo como um
todo parece estar em repouso. Isso não corresponde à superfície de um planeta em rotação.
Observadas da superfície terrestre, as estrelas fixas parecem girar em volta do pólo norte e
movimentar-se horizontalmente de leste para oeste.
O movimento horizontal não nos interessa, porque as leis de Newton não distinguem
entre um estado de repouso e um estado de movimento uniforme em linha reta. Um
20
observador viajando comodamente em um vagão ferroviário, mantendo a velocidade
constante, não estaria apto a encontrar qualquer coisa de errado com a nossa afirmação da lei
de Newton, caso fizesse experiências no laboratório instalado no vagão. As suas experiências
seriam completamente diferentes se o vagão estivesse girando.
A Figura 1.7 representa uma visão a partir do pólo norte. A Terra gira em sentido
anti-horário com velocidade angular Ω, por questão de simplicidade podemos configurá-la
como um disco plano e não como esfera (essa simplificação não afetará a essência de nossa
argumentação). Suponha que um projétil seja lançado do pólo norte na direção OD. Na Figura
1.7 (a) vemos o movimento no sistema de inércia, o de um observador situado acima do disco
girando, mas cuja posição seja fixa, vamos supor, em relação ao universo. O projétil
percorrerá com velocidade constante em linha reta, e em intervalos iguais de tempo atingindo
sucessivamente os pontos A, B, C, e D. Entretanto, enquanto o objeto estiver viajando, o disco
gira e os pontos que inicialmente estão em A, B, C e D se movem para novas posições A’, B’,
C’ e D’. Iremos agora considerar um sistema de referência fixado sobre o disco. Suponha que
o observador não possa ver nada mais além do próprio disco. Os pontos O, A’, B’, C’ e D’
parecem para ele, manter uma linha reta. Conseqüentemente, conclui-se que o projétil seguiu
uma trajetória curva.
21
Figura 1.7 - A força de Coriolis. Um projétil é lançado na direção OD em (a). O seu movimento
subseqüente parece depender da posição assumida pelo observador se está parado ou girando
conforme o disco. Fonte adaptada Richard; Walker (1996) p.87.
O observador situado no sistema que está girando se defronta com um problema
relacionado com a lei de Newton: se o projétil não fosse influenciado por nenhuma força
enquanto estivesse no ar deveria mover-se uniformemente em linha reta. O problema que
sugere é: abandonar as leis de Newton ou modificá-las. Na prática, torna-se mais conveniente
modificar as leis pressupondo a existência de uma força que provocou a trajetória curva. Essa
força nova é denominada de Força de Coriolis (WALKER,1996).
Segundo Lima (2004), o estudo do movimento de sistemas de grande escala horizontal
com extensão latitudinal limitada pode ser facilitado quando simplificações geométricas são
consideradas.
Ao adotar-se um plano “beta” a curvatura da Terra é desconsiderada, sendo o
parâmetro de Coriolis dado aproximadamente por:
,yff
o
β
+= (1.6)
,
dy
df
=
β
(1.7)
onde )(
o
y
φφα
−= é a distância meridional desde uma latitude fixa onde o parâmetro de
Coriolis é
oo
f
φ
sen2Ω= ;
α
é o raio terrestre;
φ
é a latitude; e Ω é taxa de rotação da Terra.
22
Sob condições não divergentes, ou seja, na ausência de movimentos verticais, os
movimentos atmosféricos são governados pela conservação da vorticidade absoluta, a qual
pode ser expressa como:
0=+
βν
ξ
dt
d
, (1.8)
onde
ξ
é a vorticidade; t é o tempo; e
ν
é a velocidade. A equação da perturbação da
vorticidade é obtida desprezando-se os termos que envolvem produtos perturbados, visto que
as amplitudes das perturbações são pequenas em relação ao estado básico, ou seja, lineariza-se
a Equação (1.3) em torno de um estado básico de movimento uniforme e barotropicamente
estratificado, ou seja, as superfícies isentrópicas coincidem com as superfícies isobáricas.
0
'
'
=+
βν
ξ
Dt
D
. (1.9)
Sendo o movimento não divergente, o campo de velocidade horizontal pode ser
representado em termos de uma função de corrente,
,
ψ
.
''
ψκν
∇×=
h
(1.10)
A equação da perturbação da vorticidade torna-se então,
,0
'
'2
=
∂
∂
+∇
x
Dt
D
ψ
βψ
(1.11)
que é conhecida como equação de onda de Rossby e reflete o balanço entre as variações na
vorticidade relativa de uma parcela de ar e variações em sua vorticidade planetária devido a
deslocamentos meridionais. O mecanismo de propagação da onda de Rossby pode ser
entendido considerando-se uma cadeia de parcelas de fluido que no tempo t
o
, repousa ao
longo de um círculo de latitude, como mostra a (Figua 1.8), de Holton (1992).
23
Figura 1.8 - Campo de perturbação da vorticidade (+ e —) e campo de vorticidade induzida (setas
tracejadas) para uma cadeia de parcelas de fluido, mostrando o mecanismo de propagação para
onda de Rossby. Fonte adaptada de Holton (1992).
1.4 Índices de Atividades Magnéticas
Com os avanços de tecnologia a previsão do tempo torna-se cada vez mais importante
para muitas atividades humanas, como: comunicações, sistemas de navegação, satélites, e até
viagens no espaço. Para melhor entendimento dos distúrbios no espaço foram criados índices
para medir as variações no campo magnético próximo à superfície terrestre. As variações
magnéticas no globo terrestre podem ocorrer de três maneiras: Sq, SC e tempestades
magnéticas.
Os índices Sq (Solar quiet), são pequenas variações, que ocorrem geralmente durante o
dia em pequenas amplitudes, e estão distribuídas de uma maneira global. Ocorrem
naturalmente nos dias de pequena movimentação solar. As fontes de Sq são as correntes
elétricas da baixa ionosfera, produzidas pelo calor solar.
As tempestades magnéticas são grandes variações que duram um ou mais dias e
tendem a ocorrer simultaneamente ao redor da Terra. Às vezes ocorre um aumento repentino
no campo magnético chamado de SC (Sudden Component).
1.4.1 Elementos para medidas do Campo Magnético Terrestre
24
Para as medidas geomagnéticas terrestres são utilizados dois tipos de elementos de
medida, os intrínsecos e os relativos.
Elementos intrínsecos são os elementos que usam como referência o eixo magnético da
Terra , e são os índices: B,H,Z e I.
Os elementos relativos são os elementos que pegam como referencia o eixo geográfico
da Terra, e são M,V e r.
Matematicamente, temos:
23
sen.
r
M
r
rM
V
Φ
−==
, (1.12)
onde, M é o momento magnético da Terra (8,05±0,002 x 10
25
graus/cm
3
) , Φé a latitude do
dipolo , r é a distância entre a medida e o centro da Terra .
r
V
Z
∂
∂
=
, é a componente radial (vertical);
Φ∂
∂
=
r
V
H
, é a componente horizontal (tangencial);
Φ−== tg
H
Z
I
2 , é a inclinação magnética;
222
Z
H
B
+= , é a intensidade magnética.
Com esses elementos são gerados os índices geomagnéticos:
1.4.2 Índice do AE
Índice do AE (auroral electrojet) é um índice obtido de um número (usualmente maior
que 10) de estações distribuídas ao longo da latitude próxima da zona do auroral do
hemisfério do Norte (DAVIS; SUGIURA, 1966), medidas em intervalo de tempo de 1,5 a 1
minuto. Para cada uma das estações a perturbação do H magnético é registrada como uma
função de tempo universal. A superposição destes dados de todas as estações habilitadas
registra um mínimo para a componente do H, isto é chamado o índice do AL. Analogamente
25
um índice máximo da componente H é determinado; é chamado de índice do AU. A diferença
entre esses dois índices, AU-AL, é chamada de índice AE.
1.4.3 Índice Ak
O índice Ak que mede a atividade do geomagnetica foi criada por Nevanlinna e Ketola
(1993). Este tem sido ajustado com o índice a , formando um índice uniforme ,o mais longo
das atividades do geomagneticas globais, estendendo-se numa duração acima de 14 ciclos
solares.
1.4.4 Índice Kp
O índice do Kp é o índice planetário, baseado em 12 estações de medidas
geomagnéticas espalhadas pelas latitudes 48° e 63°. Cada uma dessas estações cria um índice
individual Ks, ou seja , um valor medido no local da estação, assim o índice Kp é o índice
que deriva das 12 estações juntas mandados por cada estação.
O índice do Kp utiliza esses sinais e os coloca numa escala logarítima entre 0 e 9. O
índice Ap , é uma conversão do índice Kp , só que numa escala linear , as medidas de Ap, são
feitas em intervalos de 3 horas durante o dia. (BARTELS et al. 1939).
1.4.5 Índice Dst
O Dst (Disturbance storm time), é o índice que mede a atividade magnética perto da
região equatorial, com sinais obtidos de observatórios geomagnéticos que medem a
intensidade global do eletrojet equatorial ( CAMPBELL, 1996).
Esses índices de distúrbios magnéticos são gerados de hora em hora nas regiões de
baixas latitudes e variações magnéticas horizontais. Ele mostra o efeito global das correntes
26
eletrojets do equador e as variações da componente H durante as tempestades magnéticas.
(
SISCOE; CROOKER ,1966).
O índice Dst é expresso em nanoteslas, com altos valores de Dst indica a ocorrência
de uma magnetosfera calma, e um baixo índice de Dst, indica uma tempestade magnética. A
Figura 1.9 apresenta os índices Dst para o mês de julho de 2003, onde podemos observar
claramente duas tempestades magnéticas com índices chegando a - 120 nT. (SUGIURA,
1964).
180 183 186 189 192 195 198 201 204 207 210 213 216
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
índice DST
Dias juliano
D S T ju lh o 2 0 0 3
Figura 1.9 –Exemplo de gráfico do índice Dst de julho de 2003 em dias julianos. Fonte : WDC for
geomagnetism , (Kioto University – Hourly Equatorial Dst Values Provissional).
27
CAPÍTULO 2
2. TÉCNICA DE OBSERVAÇÃO E ANALISE DE DADOS
2.1 Ionossonda Digital CADI.
A ionossonda digital, denominada CADI (Canadian Advanced Digital Ionosonde),
consiste de um sistema transmissor-receptor, das antenas e de um micro-computador. O
transmissor da ionossonda emite um sinal de radiofreqüência na direção vertical para cima
com freqüências pré-determinadas (1-20 MHz) e o receptor recebem o sinal refletido pela
ionosfera (eco) e processa o sinal, Figura 2.1. (GRANT et al, 1995; MACDOUGALL et al,
1997) Com a diferença entre o tempo de envio e o tempo de recepção calcula-se a altura
virtual da camada que refletiu o sinal, considerando que o sinal de radiofreqüência viaja a
velocidade da luz (300 000 km/s). Com os registros das alturas das camadas para cada
freqüência selecionada pode ser montado um espectro chamado de ionograma (altura virtual x
freqüência).
Figura 2.1 - Antena tipo delta da ionossonda, sinal transmitido e sinal recebido.
28
A ionossonda armazena os dados distribuídos em 48 arquivos diários, (ou seja, 2
arquivos por hora), sendo dois tipos diferentes de arquivos, metade com a extensão md4
(ionograma com 180 freqüências) e a outra metade com a extensão md3 (ionograma com 6
freqüências). Os arquivos md4 possuem 12 ionogramas completo (180 freqüências), sendo
que a cada 5 minutos (300 segundos) é completado um ionograma. A Figura 2.2 ilustra um
exemplo dos ionograma diurno armazenado em um arquivo md4.
Figura 2.2 - Exemplo de um ionograma completo, arquivo tipo md4, obtido em 01 de dezembro de
2003, às 10:00:20 UT (7:00:20 LT) na região de Palmas.
Os arquivos md3 possuem 36 ionogramas em freqüências específicas (6 freqüências),
sendo que a cada 100 segundos (1 minuto e 40 segundos) é realizado um ionograma. A Figura
2.3 ilustra um exemplo do ionograma noturno do arquivo md3.
29
Figura 2.3 - Exemplo de um ionograma com 6 freqüências, arquivo tipo md3, obtido em 10 de
dezembro de 2003, às 05:28:22 UT (02:28:22 LT) na região de São José dos Campos.
Observa-se que cada ionossonda recolhe 1440 arquivos em um mês de 30 dias,
possuindo em média 70 Mbytes de dados armazenados por mês, sendo em um ano 840
Mbytes por ionossonda digital, chegando em média a um total de 1,8 Gbytes recolhidos, em
um ano, nas duas ionossondas (São José dos Campos e Palmas). Para auxiliar na
administração desses dados foi utilizado o programa UDIDA (Univap Digital Ionosonde Data
Analysis) programa desenvolvido para facilitar a análise dos dados obtidos da ionossonda
convertendo o código da CADI que estava em Borland C para o Visual Basic. (PILLAT ;
FAGUNDES, 2004; GUEDES, 2004; MUELLA, 2004).
2.2 Análise dos dados
O estudo da propagação de ondas planetárias é realizado utilizando uma metodologia
proposta por Fagundes et al, (2005). A idéia básica desta metodologia baseia-se na variação
da altura virtual em função do dia do mês para algumas freqüências pré-selecionas e horário
fixos. Uma apresentação pictórica da metodologia empregada neste estudo pode ser vista na
Figura 2.4. Para melhorar a estatística dos ecos obtidos para cada horário, toma-se os ecos 5
minutos antes e 5 minutos depois de cada hora, como o tempo de amostragem é de 100
30
segundos em média, obtém-se 6 ecos para cada intervalo de tempo ao redor de cada hora (5
minutos antes e depois).
METODOLOGIA
METODOLOGIA
Altura
Altura
Virtual = h (
Virtual = h (
Dia
Dia
,
,
hora
hora
fixa
fixa
e
e
Frequência
Frequência
fixa
fixa
)
)
Day
1
2
3
4
56
7
8N
H
o
u
r
(
U
T
)
0
1
2
3
4
5
6
23
Fixed
Frequencies
O procedimento de
O procedimento de
reunir os dados 5
reunir os dados 5
minutos antes e 5
minutos antes e 5
minutos depois de uma
minutos depois de uma
determinada hora, é
determinada hora, é
para melhorar a
para melhorar a
estatística dos ecos.
estatística dos ecos.
DIA
Hora (UT)
Determinada
hora fixa
Figura 2.4 - Representação pictórica da metodologia utilizada para melhorar a estatística dos ecos
obtidos
. Variação da altura virtual para freqüências fixas (3 e 4 MHz) e hora fixa (2:55 - 3:05 UT).
O resultado desta técnica aplicada para mês de dezembro em São José dos Campos e
Palmas, utilizando as freqüências 3, 4, 5, 6, 7, 8 MHz para 00:00 UT pode ser visto na
Figura 2 .5. A Figura 2.5 mostra os dados crus obtidos com a técnica descrita acima, note que
as alturas virtuais ao redor de 100 km referem-se a ecos da região E, já as alturas virtuais ao
redor de 300 km de altura referem-se aos ecos da região F e as alturas virtuais ao redor de
600 k m são devido à segunda reflexão da camada F.
31
Figura 2.5 - Exemplo da variação da altura virtual em função dos dias do mês, freqüências 3, 4, 5, 6, 7
e 8 MHz e 00:00UT, sendo que não foi aplicado qualquer filtro para excluir alturas indesejáveis.
(A) São José dos Campos, dezembro 2003. (B) Palmas, dezembro 2003.
32
2.3 Filtragem dos dados
Posteriormente os dados da variação da altura virtual em função do dia (freqüências e
hora fixos) sofreram uma primeira filtragem, eliminando os dados referente aos ecos da região
E e segunda reflexão da região F. A Figura 2.6 apresenta os resultados depois de realizar a
primeira filtragem dos dados, excluindo alturas de reflexão abaixo de 200 km e acima de
500km.
Figura 2.6 - Exemplo da variação da altura virtual em função dos dias do mês, freqüências 3, 4, 5, 6, 7
e 8 MHz e 00:00UT, com aplicação do filtro para excluir alturas abaixo de 200 km e acima de
500K m. (A) São José dos Campos, dezembro 2003. (B) Palmas, dezembro 2003.
33
É possível observar claramente na Figura 2.6 que existem algumas freqüências que
apresentam ecos quase todos os dias do mês, no entanto, outras freqüências apresentam ecos
esporadicamente. Assim, eliminam-se as freqüências 5, 6, 7, e 8 MHz que apresentaram ecos
esporadicamente e o resultado é apresentado na Figura 2.7.
Figura 2.7 - Exemplo da variação da altura virtual em função dos dias do mês, freqüências 3 e 4 MHz
e 00:00UT, com aplicação do filtro para excluir alturas abaixo de 200 km e acima de 500 km. (A)
São José dos Campos, dezembro 2003. (B) Palmas, dezembro 2003.
34
A Figura 2.8 apresenta a variação da altura virtual, freqüências 3 e 4 MHz e horário
fixo 00:00 UT, para o período compreendido entre junho de 2003 até maio de 2004 em São
José dos Campos. É possível notar que a variação da altura virtual não é aleatória e muita
menos permanece constante, pelo contrario nota-se uma modulação ondulatória com período
de dias. Sugerindo assim a propagação de ondas do tipo planetárias.
100
200
300
400
500
600
São José dos Campos 2003 - 2004 0 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
3 MHz
4 MHz
JANEIRO 2004 SJC
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 1317212529
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 1317212529
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 1317212529
MAIO 2004 SJC
Figura 2.8 - Exemplo da variação da altura virtual em função dos dias do mês, freqüências 3 e 4 MHz
e 00:00UT, com aplicação do filtro para excluir alturas abaixo de 200 km e acima de 500 Km em
São José dos Campos, de dezembro de 2003 a maio de 2004.
35
2.4 Média das alturas virtuais
Para melhorar a análise da modulação ondulatória da altura virtual em função dos dias
do mês, para região de São José dos Campos e Palmas, foi escolhida apenas uma freqüência
de reflexão para cada horário. Essa freqüência escolhida é a que melhor retrata a variação em
cada horário e a que possui ecos para a maior quantidade de dias nos meses observados. Após
uma análise nos gráficos de variação das alturas virtuais em função de cada dia do mês,
observou-se que as freqüências de 3 MHz e 7 MHz (para o período das 15:00 UT) tiveram
reflexões nas regiões ionosféricas praticamente o ano todo, assim, adotou-se as freqüências de
3 MHz para os horários 00:00 UT, 06:00 UT e 21:00 UT e a freqüência de 7 MHz para o
horário de 15:00 UT. O período estudado compreende os meses entre junho de 2003 até maio
de 2004 (atividade solar média para mínima).
Utilizando o programa UDIDA, que já possui uma rotina para os cálculos das médias
das alturas virtuais, para cada horário fixo selecionado e somente para as freqüências de
reflexão dos ecos escolhidas, monta-se um banco de dados com apenas um valor de altura
para cada dia do mês. Com esses dados constroem-se os gráficos das alturas virtuais em
função dos dias do mês para cada horário fixo, agrupados em 12 meses de estudo. A Figura
2.9 apresenta a média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia
do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).
Essa análise das médias das alturas virtuais será feita para todos os meses e horários
fixos selecionados para o período estudado entre junho de 2003 a maio de 2004.
36
100
200
300
400
500
600
Média - São José dos Campos 2003 - 2004 0 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
3 MHz
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 1317212529
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 1317212529
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 1317212529
MAIO 2004 SJC
Figura 2.9 - Exemplo da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do
dia do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).
2.5 Análise da Transformada em Ondeletas (Wavelet).
Os estudos de sinais não-estacionários exigem abordagens matemáticas robustas de
análise para poder compreender os fenômenos físicos que estão agindo em qualquer sistema
natural. Uma destas ferramentas é a Transformada em Ondeletas ou Wavelet, capaz de
analisar séries-temporais obtidas de qualquer sistema físico. O uso desta ferramenta se faz
necessário devido ao fato de que as séries-temporais tomadas de qualquer sistema físico
possuírem características não-estacionárias. Entenda-se como característica não-estacionária
as séries-temporais cujo seus momentos estatísticos, média, variância, e etc, variam em
quaisquer segmentos tomados desta série. (
MORETTIN, 1999; BOLZAN, 2004).
Há dois tipos de transformadas em ondeletas, as Contínuas e as Discretas, cada qual
útil para determinadas situações. As ondeletas discretas são utilizadas para filtragem e
37
decomposição de qualquer série-temporal. A sua aplicabilidade neste aspecto advém do fato
de que estas ondeletas não provocam redundâncias de coeficientes entre escalas (freqüências).
A ondeleta Discreta mais comum é a ondeleta tipo escada ou ondeleta de Haar. As ondeletas
Contínuas são comumente utilizadas para visualizar, em um diagrama tridimensional, a
relação existente entre as componentes de diferentes freqüências em função da escala
temporal do sinal estudado, onde estas relações são comumente categorizadas como não
lineares. A Transformada em Ondeleta tem a capacidade de combinar as características das
informações de tempo e freqüência, possibilitando a obtenção de informações das séries
temporais que contém energia não-estacionária em várias freqüências. (TORRENCE;
COMPO 1998).
A ferramenta utilizada para gerar os diagramas tempo-freqüência, foi a Transformada
em Ondeleta com a função Ondeleta de Morlet, do programa MATLAB (Copyright 1984-
2000 The MatchWorks, Inc.) versão 6.0.0.88 Release 12. A função Ondeleta de Morlet
(Figura 2.10) é bastante útil para analisar as várias freqüências pertencentes ao sistema e
mostrar uma relação entre tempo e freqüência. As ondeletas contínuas mais comuns são a
Morlet e a Chapéu Mexicano. O banco de dados utilizado foi o mesmo gerado para cálculo
das médias para São José dos Campos e Palmas. A Figura 2.10 apresenta um exemplo de
Wavelet da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do
mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT). A análise das
Wavelets das alturas virtuais será feita para todos os meses entre junho de 2003 e maio de
2004.
A apresentação da análise das Wavelets será dividida em três partes.A primeira parte
(painel superior) apresenta um gráfico com a variação das alturas virtuais para uma freqüência
e horário fixo em função dos dias no período de um ano (junho 2003 a maio 2004). A
apresentação dos dias do ano será em dias Juliano corridos, a partir do dia 152 (1 de junho
38
2003) até 501 (31de maio 2004). No painel inferior, será apresentado o diagrama tempo-
freqüência e a potência onde a amplitude do sinal para cada freqüência será representada por
um diagrama de cores padrão RGB, sendo o azul representando a energia mais fraca e
vermelho a mais forte.
Segundo Bolzan (2004), o diagrama tempo-freqüência e a Transformada de Ondeletas
de Morlet (Wavelet), que proporciona uma investigação mais detalhada da variabilidade
temporal da energia espectral associada a oscilações com períodos de dias que podem ser
associados a oscilações de ordem planetária. A terceira parte (painel à direita) apresenta o
Espectro de Ondeleta Global ou GWS (Global Wavelet Spectrum), que é um cálculo da
variância (energia), em cada um desses períodos do ano. O objetivo disso é saber quais são os
períodos de maior energia.
Figura 2.10 – Função Ondeleta de Morlet.
39
Figura 2.11 - Exemplo de Wavelet da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em
função do dia do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).
40
CAPÍTULO 3
3. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS E ANÁLISE
3.1 Apresentação dos dados pré-processados.
Os resultados apresentados neste capítulo têm por objetivo estudar a propagação de
oscilações do tipo ondas planetárias na região F da ionosfera em baixas latitudes na região
equatorial e território brasileiro. Serão utilizados dados observados em São José dos Campos
(23,2°S, 45,9°W), localizada em baixas latitudes sob o máximo da anomalia equatorial e
Palmas (10,28°S, 48,33°W), localizada na região equatorial. É importante mencionar que
estes dois sítios de observação estão quase alinhados ao meridiano magnético.
Serão apresentados os resultados das observações realizadas por duas ionossondas
digitais do tipo CADI (Canadian Advanced Digital Ionosonde) durante o período
compreendido entre junho de 2003 até agosto de 2004. O período escolhido para este estudo é
de atividade solar média para atividade solar mínima (F10.7 = 150 a 85 [ Hzmw
2
/])
incluindo períodos calmos e vários períodos geomagneticamente perturbados (Abdu et al,
1983; Sahai et al, 2000; Pimenta et al, 2001). Depois de se realizar uma pré-filtragem, onde se
eliminaram os ecos da segunda reflexão e os ecos da camada E, calcula-se a média das alturas
virtuais e realiza-se uma analise espectral empregando a técnica de Transformada em
Ondeletas (Wavelet), utilizando-se a metodologia descrita no capítulo anterior.
Neste estudo foram escolhidos quatro horários do dia para investigar a propagação de
ondas planetárias na região F, são eles: 00:00 UT (21:00 LT) sendo representativo do inicio
da noite, 06:00 UT (03:00 LT) sendo representativo da madrugada, 15:00 UT (12:00 LT)
sendo representativo do dia e 21:00 UT (18:00 LT) representativo do entardecer. A escolha de
realizar o estudo de ondas planetárias em diversos horários são para verificar se existe alguma
41
característica das ondas planetárias em função da hora local, como sugerido por Fagundes et
al, (2005).
3.1.1 Apresentação dos dados pré-processados de São José dos Campos.
As Figuras 3.1 a 3.4 mostram a variação da altura virtual da camada F em função do
dia do mês para as freqüências 3 e 4 MHz nos horários 00:00 UT, 06:00 UT e 21:00 UT e
para o horário de 15:00 UT utilizam-se as freqüências 6 e 7 MHz. O período estudado
compreende os meses entre junho de 2003 até maio de 2004 (atividade solar média para
mínima). Nota-se em numa inspeção visual que em São José dos Campos para todos os meses
e horários estudados que há uma variação na altura virtual com um período de dias, sugerindo
assim a presença de ondas do tipo planetária. A Figura 3.1 (00:00 UT - 21:00 LT) mostra
claramente a existência de oscilações com períodos de dias durante o inicio da noite. As
alturas em que ocorreram os ecos para este horário variam entre 200 e 400 km de altitude. É
importante ressaltar que para a maioria dos meses, durante a noite, a amplitude de oscilação
de pico a pico, pode atingir aproximadamente 200 Km, apenas para os meses de fevereiro de
2004 e março de 2004 a amplitude foi um pouco menor, chegando a aproximadamente 100
Km.
A Figura 3.2 (06:00 UT - 03:00LT) apresenta os dados para o horário representativo da
madrugada. Neste horário os dados apresentam um ruído significativo causados por
espalhamento ionosférico do tipo R ou F (“Range” e Freqüência – Figura 3.5). Nota-se nas
Figuras 3.1 e 3.4 que a altura dos ecos produzida pelo traço ordinário e extraordinário
apresenta uma diferença maior que 50 km (veja Figura 3.6), assim foram eliminados os ecos
produzidos pelo traço extraordinário. No entanto, é possível novamente verificar a presença
de oscilações do tipo onda planetária com período de dias. Por este motivo será tomado um
cuidado especial no processo de filtragem dos dados para este horário.
42
100
200
300
400
500
600
Figura 3.1
3 MHz
4 MHz
São José dos Campos 2003 - 2004 0 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 1317212529
MAIO 2004 SJC
Figura 3.1 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para as
freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).
100
200
300
400
500
600
Figura 3.2
3 Mhz
4 Mhz
São José dos Campos 2003 - 2004 6 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004 SJC
Figura 3.2 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para as
freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT).
43
A Figura 3.3 (15:00 UT - 12:00 LT) é representativa das variações que ocorrem na
camada F durante o dia. As freqüências de 6 MHz e 7 MHz foram escolhidas para o horário
representativo diurno, pois entre as oito freqüências varridas pela ionossonda estas duas
apresentaram um eco com boa qualidade durante todos os meses estudados. No entanto, a
altura média em que ocorrem os ecos é ligeiramente superior às observadas quando utilizamos
as freqüências de 3 MHz e 4 MHz. Uma análise visual permite notar que as oscilações na
altura com períodos de dias entre os meses junho até outubro e março até maio está na faixa
compreendida entre 250 km e 400 km. Já as oscilações que ocorrem entre novembro e
fevereiro localizam-se em uma faixa de altura ligeiramente superior, de 300 km a 500 km.
Uma grande variação na altura virtual foi verificada nos dias 13 de julho de 2003 e 24
de maio de 2004, devido a uma diferença na altura entre os ecos ordinários e extraordinários
superior a 100 km.
A observação da altura virtual da camada F, durante o crepúsculo, 21:00 UT (18:00LT)
está representada na Figura 3.4. Esta figura mostra a variação das alturas virtuais de São José
dos Campos no período de junho de 2003 a maio de 2004 para as freqüências de 3 MHz e
4M Hz. Nota-se que para todos os 12 meses, a variação da altura da camada F, segue o
mesmo padrão, ou seja, um período de aproximadamente 10 dias, altura média da camada em
torno de 200 km e amplitude de 50 km. Não foi observado espalhamento durante todo o ano
para este horário.
Uma variação de aproximadamente 100 km na altura virtual foi verificada no dia 29
de maio de 2004, devido à diferença na altura entre ecos ordinários e extraordinários.
44
100
200
300
400
500
600
Figura 3.3
São José dos Campos 2003 - 2004 15 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
6 MHz
7 MHz
JANEIRO 2004 SJC
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004 SJC
Figura 3.3 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para as
freqüências de 6 MHz e 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT).
100
200
300
400
500
600
Figura 3.4
3 MHz
4 MHz
São José dos Campos 2003 - 2004 21 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004 SJC
Figura 3.4 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para as
freqüências de 3 MHz e 4 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT).
45
Figura 3.5 - Exemplo de espalhamento tipo F (figura à esquerda), em Palmas 28 de junho 2003.
Exemplo de espalhamento do tipo R (Range) (figura à direita), em São José dos Campos, 04 de
outubro de 2003 00:00 UT .
Figura 3.6 - Exemplo de diferença significativa na altura dos ecos ordinários e extraordinários em São
José dos Campos, 22 de junho de 2003 - 06:00:04UT.
46
3.1.2 Apresentação dos dados pré-processados de Palmas.
As Figuras 3.7 a 3.10 mostram a variação da altura virtual da camada F em função do
dia do mês para as freqüências 3 e 4 MHz em Palmas nos horários 00:00 UT, 06:00 UT e
21:00 UT e 6 e 7 MHz para o horário de 15:00 UT. O período estudado compreende os dias
entre 21 de junho de 2003 até 15 de maio de 2004 (atividade solar média para mínima). Nota-
se em numa inspeção visual que em Palmas para todos os meses e horários estudados há uma
variação na altura virtual com um período de dias, sugerindo assim a presença de ondas do
tipo planetárias. A Figura 3.7 (00:00 UT - 21:00 LT) apresenta claramente a existência de
oscilações com períodos de dias durante a noite. As alturas em que ocorreram os ecos para
este horário variam entre 200 km e 500 km de altitude. Para a maioria dos meses, durante a
noite, a amplitude de oscilação pode atingir aproximadamente 200 Km. Observando
diretamente os ionogramas entre os meses de junho de 2003 e maio de 2004 para os horários
de 00:00UT (21:00 LT) e 06:00 UT (03:00 LT), nota-se que os dados apresentam um ruído
significativo, causado por espalhamento do tipo R ou F (“Range” ou Freqüência).
A Figura 3.9 (15:00 UT - 12:00 LT) apresenta uma amplitude de oscilação de
aproximadamente 200 km entre os meses de junho de 2003 a setembro de 2003 e uma
amplitude de oscilação de aproximadamente 150 km de outubro de 2003 a maio de 2004. Há
uma variação na altura virtual com um período de dias, sugerindo assim a presença de ondas
do tipo planetárias.
A Figura 3.10 (21:00 UT - 18:00 LT) apresenta para todos os meses uma variação nas
alturas em que ocorreram os ecos na ordem de 50 km e mão apresentou nenhum tipo de
espalhamento ou diferença significativa na altura dos ecos ordinários e extraordinários.
47
100
200
300
400
500
600
Palmas 2003 - 2004 0 UT
JUNHO 2003
JULHO 2003
AGOSTO 2003
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003
OUTUBRO 2003
NOVEMBRO 2003
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003
Dia do mês
JANEIRO 2004
FEVEREIRO 2004
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
Figura 3.7
3 MHz
4 MHz
ABRIL 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004
Figura 3.7 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as freqüências de 3 e
4 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).
100
200
300
400
500
600
Figura 3.8
3 MHz
4 MHz
Palmas 2003 - 2004 6 UT
JUNHO 2003
JULHO 2003
AGOSTO 2003
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003
OUTUBRO 2003
NOVEMBRO 2003
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003
Dia do mês
JANEIRO 2004
FEVEREIRO 2004
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004
Figura 3.8 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as freqüências de 3 e
4 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT).
48
100
200
300
400
500
600
Figura 3.9
Palmas 2003 - 2004 15 UT
JUNHO 2003
JULHO 2003
AGOSTO 2003
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003
OUTUBRO 2003
NOVEMBRO 2003
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003
Dia do mês
6 MHz
7 MHz
JANEIRO 2004
FEVEREIRO 2004
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004
Figura 3.9 - Variação da altura virtual em Palmas, em função do dia do mês para as freqüências de 6 e
7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT).
100
200
300
400
500
600
Figura 3.10
3 MHz
4 MHz
Palmas 2003 - 2004 21 UT
JUNHO 2003
JULHO 2003
AGOSTO 2003
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003
OUTUBRO 2003
NOVEMBRO 2003
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003
Dia do mês
JANEIRO 2004
FEVEREIRO 2004
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004
Figura 3.10 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as freqüências de 3
e 4 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT).
49
3.2 Apresentação dos dados pré-processados e filtrados.
Neste estudo foram escolhidos os dados já pré-processados do item 3.1 para os quatros
horários: 00:00 UT (21:00 LT) sendo representativo do inicio da noite, 06:00 (03:00 LT)
sendo representativo da madrugada, 15:00 UT (12:00 LT) sendo representativo do dia e
21:00 U T (18:00 LT) representativo do entardecer. Sobre esses dados, foram realizadas
filtragens, onde se eliminaram os ecos extraordinários e os espalhamentos dos tipos F ou R.
Essa filtragem foi executada manualmente, observando diretamente os ionogramas de cada
dia e horário selecionado, eliminando os ecos produzidos por espalhamentos dos tipos F ou R
e ecos produzidos pelo traço extraordinário. Após a filtragem, os dados apresentados nas
Figuras 3.11 a 3.14, representam a altura virtual dos ecos correspondente à base da camada F.
3.2.1 Dados pré-processados e filtrados de São José dos Campos.
As Figuras 3.11 a 3.14, mostram a variação da altura virtual da camada F, em função
do dia do mês para as freqüências 3 e 4 MHz nos horários 00:00 UT, 06:00 UT e 21:00 UT e
6 e 7 MHz para o horário de 15:00 UT. O período estudado compreende os meses entre junho
de 2003 até maio de 2004 (atividade solar média para mínima).
A eliminação dos ecos gerados pelo traço extraordinários, e dos espalhamentos F ou R
melhoraram significativamente a qualidade dos dados apresentados, facilitando a observação
dos períodos e das variações de amplitudes dos ecos para cada horário selecionado.
A Figura 3.11 (00:00 UT - 21:00 LT), apresenta claramente uma amplitude de
oscilação na ordem de 200 Km e uma variação nas alturas em que ocorreram os ecos entre
200 km a 400 km. Podemos observar ainda a existência de oscilações com períodos de dias.
Comparando as Figuras 3.1, 3.3 e 3.4 (dados pré-filtrados) com suas correspondentes em
horários 3.11, 3.13 e 3.14 (dados filtrados), observamos pouca diferença nos resultados
obtidos após a filtragem, pois para estes horários (00:00 UT, 15:00 UT e 21:00 UT) durante o
50
dia, no crepúsculo e início da noite, praticamente não foi registrado ecos gerados por ruídos
causados por espalhamento do tipo R ou F (“Range” ou Freqüência”) ou ecos gerados pela
diferença de altura entre os traços ordinários e extraordinários. Para o horário da madrugada
(06:00 UT) os ruídos já são mais significativos, o que pode ser observado quando
comparamos as Figuras 3.2 (dados pré-filtrados) e 3.12 (dados filtrados). A variação nas
alturas em que ocorreram os ecos está entre 200 km e 400 km para todos os meses observados
e a amplitude de oscilação na ordem de 200 km. Foi observado a existência de oscilações com
períodos de dias modulando as alturas virtuais obtidas.
100
200
300
400
500
600
São José dos Campos 2003 - 2004 0 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
3 MHz
4 MHz
JANEIRO 2004 SJC
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 1317212529
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 1317212529
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 1317212529
MAIO 2004 SJC
Figura 3.11 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para as
freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).
51
100
200
300
400
500
600
São José dos Campos 2003 - 2004 6 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
Figura 3.12
3 MHz
4 MHz
MAIO 2004 SJC
Figura 3.12 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para as
freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT).
100
200
300
400
500
600
6 MHz
7 MHz
São José dos Campos 2003 - 2004 15 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
Figura 3.13
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004 SJC
Figura 3.13 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para as
freqüências de 6 e 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT).
52
100
200
300
400
500
600
3 MHz
4 MHz
São José dos Campos 2003 - 2004 21 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual ( Km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
Figur a 3.14
MAIO 2004 SJC
Figura 3.14 - Variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês para as
freqüências de 3 e 4 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT).
3.2.2 Dados pré-processados e filtrados de Palmas.
As Figuras 3.15 a 3.18 mostram a variação da altura virtual da camada F em função do
dia do mês para as freqüências 3 e 4 MHz nos horários 00:00 UT, 06:00 UT e 21:00 UT e 6 e
7 MHz para o horário de 15:00 UT. O período estudado compreende os meses entre junho de
2003 até maio de 2004 (atividade solar mínima)
Observa-se uma melhora significativa na apresentação dos dados processados e
filtrados para os horários 00:00 UT (Figura 3.15) e 06:00 UT (Figura 3.16), pois, para estes
horários sobre a região de Palmas, os ecos dos traços ordinários e extraordinários possuem
uma separação em altura considerável e espalhamentos do tipo R ou F são bastante intensos e
freqüentes.
53
Analisando a Figura 3.15 (00:00 UT – 21:00 LT) podemos observar, que para o esse
horário, nos meses de setembro e outubro de 2003 e abril e maio de 2004, temos uma variação
na altura virtual com período de aproximadamente 16 dias, sugerindo assim a presença de
ondas do tipo planetárias.
A Figura 3.16 (06:00 UT – 03:00 LT), mostra que para os meses compreendidos entre
outubro de 2003 e maio de 2004 a variação da amplitude dos ecos fica entre 200 km e
400km.
As Figuras 3.17 (15:00 UT – 12:00 LT) e 3.18 (21:00 UT – 18:00 LT), não
apresentaram mudanças significativas em relação aos dados não filtrados, pois praticamente
não foi registrado ecos gerados por ruídos causados por espalhamento do tipo R ou F ou ecos
gerados pela diferença de altura entre os traços ordinários e extraordinários para esses
horários na região de Palmas.
100
200
300
400
500
600
3 MHz
4 MHz
Figura 3.15
Palmas 2003 - 2004 0 UT
JUNHO 2003
JULHO 2003
AGOSTO 2003
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003
OUTUBRO 2003
NOVEMBRO 2003
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003
Dia do mês
JANEIRO 2004
FEVEREIRO 2004
Altura Virtual ( km)
1 5 9 1317212529
100
200
300
400
500
MARÇO 2004
1 5 9 1317212529
ABRIL 2004
1 5 9 1317212529
MAIO 2004
Figura 3.15 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as freqüências de 3
e 4 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).
54
100
200
300
400
500
600
3 MHz
4 MHz
Palmas 2003 - 2004 6 UT
JUNHO 2003
Figura 3.16
JULHO 2003
AGOSTO 2003
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003
OUTUBRO 2003
NOVEMBRO 2003
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003
Dia do mês
JANEIRO 2004
FEVEREIRO 2004
Altura Virtual ( km)
1 5 9 1317212529
100
200
300
400
500
MARÇO 2004
1 5 9 1317212529
ABRIL 2004
1 5 9 1317212529
MAIO 2004
Figura 3.16 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as freqüências de 3
e 4 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT).
100
200
300
400
500
600
6 MHz
7 MHz
Palmas 2003 - 2004 15 UT
JUNHO 2003
Figura3.17
JULHO 2003
AGOSTO 2003
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003
OUTUBRO 2003
NOVEMBRO 2003
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003
Dia do mês
JANEIRO 2004
FEVEREIRO 2004
Altura Virtual ( km)
1 5 9 1317212529
100
200
300
400
500
MARÇO 2004
1 5 9 1317212529
ABRIL 2004
1 5 9 1317212529
MAIO 2004
Figura 3.17 - Variação da altura virtual em Palmas, em função do dia do mês para as freqüências de 6
e 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT).
55
100
200
300
400
500
600
3 MHz
4 MHz
Palmas 2003 - 2004 21 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual ( km)
1 5 9 1317212529
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 1317212529
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 1317212529
MAIO 2004 SJC
Figura 3.18
Figura 3.18 - Variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as freqüências de 3
e 4 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT).
3.3 Apresentação das médias dos dados filtrados.
As Figuras 3.19 a 3.26 mostram a variação da altura virtual da camada F, para região
de São José dos Campos e Palmas, em função do dia do mês para a freqüência de 3 MHz nos
horários 00:00 UT, 06:00 UT e 21:00 UT e 7 MHz para o horário de 15:00 UT. O período
estudado compreende os meses entre junho de 2003 até maio de 2004 (atividade solar média
para mínima). Essas freqüências foram escolhidas, pois apresentavam ecos quase todos os
dias do mês.
3.3.1 Apresentação das médias dos dados filtrados para São José dos Campos.
As Figuras 3.19 a 3.22, apresentam as médias das alturas virtuais da camada F para a
região de São José dos Campos conforme os descritos no Capítulo 2.
56
A Figura 3.19 (00:00 UT - 21:00 LT) apresenta claramente as oscilações com períodos
aproximados de 5 dias e uma variação das alturas virtuais de aproximadamente 100 km. O
mês de fevereiro de 2004 apresentou uma variação na amplitude das alturas na ordem de
50k m e no mês de janeiro de 2004 observa-se um pico na variação das alturas na ordem de
400 km entre os dias 6 e 8.
Na Figura 3.20 (06:00 UT – 03:00 LT) observa-se o aparecimento de picos de variação
das alturas em quase todos os meses na ordem de 400 km. Para o horário 15:00 UT (Figura
3.21), observa-se um aumento na altura média dos ecos para essa freqüência (7 MHz)
chegando a 500 km nos meses de novembro de 2003 a fevereiro de 2004.
A Figura 3.22 (21:00 UT – 18:00 LT) apresenta apenas no mês de junho 2003
variações na amplitude na ordem de 100 km e período de oscilação na ordem de dias. Para os
outros meses as variações foram pequenas em amplitude e oscilações.
100
200
300
400
500
600
Média - São José dos Campos 2003 - 2004 0 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
3 MHz
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 1317212529
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 1317212529
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 1317212529
MAIO 2004 SJC
Figura 3.19 - Média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês
para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).
57
100
200
300
400
500
600
Média - São José dos Campos 2003 - 2004 6 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
Figura 3.20
3 MHz
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004 SJC
Figura 3.20 - Média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês
para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT).
100
200
300
400
500
600
Média - São José dos Campos 2003 - 2004 15 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual ( km)
1 5 9 1317212529
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 1317212529
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 1317212529
MAIO 2004 SJC
7 MHZ
Figura 3.21
Figura 3.21 – Média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês
para a freqüência de 6 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT).
58
100
200
300
400
500
600
Figura 3.22
3 MHz
Média - São José dos Campos 2003 - 2004 21 UT
JUNHO 2003 JSC
JULHO 2003 SJC
AGOSTO 2003 SJC
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003 SJC
OUTUBRO 2003 SJC
NOVEMBRO 2003 SJC
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003 SJC
Dia do mês
JANEIRO 2004 SJC
FEVEREIRO 2004 SJC
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004 SJC
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004 SJC
Figura 3.22 - Média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do dia do mês
para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT).
3.3.2 Apresentação das médias dos dados filtrados para Palmas.
As Figuras 3.23 a 3.26 apresentam as médias da variação das alturas virtuais para
região de Palmas para os horários fixos 00:00 UT, 06:00 UT, 21:00 UT e 15:00 UT.
A Figura 3.23 (00:00 UT – 21:00 LT) apresenta uma variação na altura virtual com
período de oscilação próximo a 5 dias e uma variação na amplitude na ordem de 200 km. Para
o horário (06:00 UT – 03:00 LT) a variação na amplitude é um pouco menor para os meses de
novembro de 2003, fevereiro de 2004 e abril de 2004 chegando no máximo a 100 km. (Figura
3.24).
59
100
200
300
400
500
600
3 MHz
Figura 3.23
Média - Palmas 2003 - 2004 0 UT
JUNHO 2003
JULHO 2003
AGOSTO 2003
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003
OUTUBRO 2003
NOVEMBRO 2003
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003
Dia do mês
JANEIRO 2004
FEVEREIRO 2004
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004
Figura 3.23 - Média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).
100
200
300
400
500
600
Média - Palmas 2003 - 2004 6 UT
JUNHO 2003
JULHO 2003
AGOSTO 2003
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003
OUTUBRO 2003
NOVEMBRO 2003
100
200
300
400
500
3 MHz Figura 3.26
DEZEMBRO 2003
Dia do mês
JANEIRO 2004
FEVEREIRO 2004
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004
Figura 3.24 - Média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT).
60
Numa análise visual, verifica-se que para o horário 15:00 UT (12:00 LT), a altura da
camada F entre os meses de dezembro 2003 e fevereiro 2004 varia em torno de 450 km, uma
elevação de aproximadamente 100 km em relação aos meses anteriores e posteriores a esse
período como mostra a Figura 3.25.
A Figura 3.26 (21:00 UT – 18:00 LT) não apresenta muita variação para a altura média
da camada F, ficando em torno de 250 km para todos os meses. As oscilações nas alturas
aparecem em maior quantidade nos meses entre junho 2003 a novembro 2004 e são na ordem
de dias o que sugere a presença de ondas planetárias na região.
100
200
300
400
500
600
Média - Palmas 2003 - 2004 15 UT
JUNHO 2003
JULHO 2003
AGOSTO 2003
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003
OUTUBRO 2003
NOVEMBRO 2003
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003
Dia do mês
JANEIRO 2004
FEVEREIRO 2004
Altura Virtual ( km)
1 5 9 1317212529
100
200
300
400
500
MARÇO 2004
7 MHz
Figura 3.24
1 5 9 1317212529
ABRIL 2004
1 5 9 1317212529
MAIO 2004
Figura 3.25 - Média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT).
61
100
200
300
400
500
600
Média - Palmas 2003 - 2004 21 UT
JUNHO 2003
JULHO 2003
AGOSTO 2003
100
200
300
400
500
SETEMBRO 2003
OUTUBRO 2003
NOVEMBRO 2003
100
200
300
400
500
DEZEMBRO 2003
Dia do mês
JANEIRO 2004
Figura 3.263 MHz
FEVEREIRO 2004
Altura Virtual (km)
1 5 9 13 17 21 25 29
100
200
300
400
500
MARÇO 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
ABRIL 2004
1 5 9 13 17 21 25 29
MAIO 2004
Figura 3.26 - Média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para as
freqüências de 3 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT).
3.4 Apresentação das Wavelet das médias dos dados filtrados.
Com o objetivo de identificar e verificar a presença de oscilações verticais nas alturas
virtuais da camada F associadas com a propagação de ondas planetárias, utilizamos a
ferramenta matemática Transformada em Ondeletas de Morlet (Wavelet) que proporciona
uma investigação mais detalhada da variabilidade temporal da energia espectral associada a
oscilações com período de dias, Bolzan (2004). As Figuras 3.27 a 3.34, apresentam a variação
da altura virtual da camada F, para região de São José dos Campos e Palmas, em função do
dia Juliano para a freqüência de 3 MHz nos horários 00:00 UT, 06:00 UT e 21:00 UT e
7 M Hz para o horário de 15:00 UT. O período estudado compreende os meses entre junho de
2003 até maio de 2004 (atividade solar média para mínima) e seguiu o procedimento para a
análise dos dados com Transformada em Ondeletas descrito no Capítulo 2.
62
3.4.1 Apresentação das Wavelets para São José dos Campos.
No painel superior da Figura 3.27 (00:00 UT – 21:00 LT) nota-se uma oscilação com
amplitude da ordem de 50 km nas alturas virtuais de entre os dias Juliano 300 a 450
(novembro de 2003 a março 2004) correspondendo ao verão no Brasil. O GWS (Global
Wavelet Spectrum, painel direito da Figura 3.27) ou Espectro de Ondeletas Global, apresenta
três picos de energia (variância), para os períodos de 4, 8 e 28 dias. O mesmo pode ser
observado no painel inferior da Figura 3.27 onde o diagrama tempo frequência (Wavelet),
apresenta a energia espectral, representada por uma escala de cor padrão RGB indicando os
mesmos períodos.
No painel inferior das Figuras 3.27, 3.28 observa-se que o conteúdo de energia no
espectro com períodos entre 2 a 4 dias mostra picos durante o ano todo, e não apenas no verão
brasileiro. Segundo Forbes e Zhang (1997), as oscilações de quase 2 dias (QTD - quase two
day), estão relacionadas com ondas planetárias em regiões de baixa latitude. A energia com
período de 8 dias, aparece com menor intensidade entre os dias 152 à 300 (junho de 2003 a
novembro 2003) e apresenta um pico de energia próximo ao dia 300 o que pode estar
relacionado a tempestades magnéticas ocorridas entre os dias Juliano 302 a 304 chegando a -
388 nT como mostra a Tabela 2 apresentada no item 3.4 mais adiante. As oscilações com
períodos de 16 e 27 dias podem estar relacionados com o período de rotação do Sol, sendo 27
dias e 13,5 dias o meio período de rotação. Essas oscilações durante a noite podem estar
relacionadas com distúrbios geomagnéticos (FAGUNDES et al, 2005).
Observando o painel direito da Figura 3.28 horário das 06:00 UT (03:00 LT) durante a
madrugada, nota-se uma variação das alturas virtuais da camada F bem mais acentuada,
variando entre 200 e 500 km. Uma variação na média das alturas também foi notada durante o
verão brasileiro entre os dias 300 a 450. No painel direito da Figura 3.28, o Espectro de
Energia Global (GWS) para esse horário aponta três picos de energia para os períodos
63
aproximados de 2-4, 8-10, e 28 dias. No painel inferior da Figura 3.29 nota-se oscilações com
freqüências de quase 2 dias durante o ano todo uma forte energia foi observada no período de
8-9 dias nos meses de julho 2003 e setembro 2003, podendo estar relacionada com ondas
planetárias ou ventos solares atingindo a Terra com períodos de oscilação entre 9, 13 e 26
dias segundo Bolzan et al,(2005). Oscilações com períodos curtos variando entre 3 a 9 dias
durante a noite, observadas no painel inferior das Figuras 3.27, 3.28 e 3.29, podem ser
causadas por ondas planetárias geradas por distúrbios geonagnéticos conforme Altadill e
Apostolov, (2003) ou fontes troposféricas segundo Lastovicka et al, (2003).
As Figuras 3.27, 3.28, 3.29 e 3.30 apresentam no seu painel inferior oscilações com
períodos de 28 dias com forte energia próximo ao dia 300 (novembro de 2003), podendo estar
relacionada com ondas planetárias geradas pelo período de rotação do Sol segundo
Lastovicka, et al,(2003) e Fagundes, et al,(2005) ou pela forte tempestade magnética ocorrida
entre 20 e 21 de novembro que chegou -472 nT (maior tempestade magnética registrada entre
junho de 2003 a maio de 2004) podendo ter gerado ondas planetárias causadas por distúrbio
geonagnéticos (ALTADILL; APOSTOLOV, 2003).
Uma grande oscilação nas amplitudes das alturas virtuais pode ser observada no painel
superior da Figura 3.29 15:00 UT (12:00 LT). Nota-se que a média das alturas virtuais da
camada F durante os dias 335 a 365 (dezembro de 2003) oscilam com uma amplitude da
ordem de 200 km, passando da altura média de 300 km entre os dias Juliano 152 a 250 (junho
2003 a setembro 2003) para aproximadamente 500 km no mês de dezembro 2003 (dia Juliano
335 a 365) retornando a média de 300 km até maio de 2004 (dia Juliano 500). O Espectro de
Energia Global (painel direito da Figura 3.29) aponta para esse horário quatro picos de
energia, para os períodos de 2-4, 9-10, 14-16 e 28 dias aproximadamente. O período de
oscilação de maior energia foi de 16 dias e 28 dias durante o mês de novembro, que podem
64
estar relacionados com a rotação do Sol e com a forte tempestade magnética ocorrida entre os
dias 20 e 21 no mês de novembro (LASTOVICKA et al, 2003; FAGUNDES et al, 2005).
A Figura 3.30 (21:00 UT – 18:00 LT) apresenta no seu painel superior uma oscilação
na amplitude das alturas virtuais na ordem de 100 km, passando da altura média de 200 km
entre os dias Juliano 152 a 250 (junho 2003 a setembro 2003) para aproximadamente 300 km
no mês de dezembro 3003 (dia Juliano 335 a 365) retornando a média de 200 km até maio de
2004 (dia Juliano 500). O painel direito da Figura 3.30 apresenta o Espectro de Energia
Global que aponta para esse horário três picos de energia, para os períodos de 2-4, 8-16 e 28
dias com maior energia no mês de novembro de 2003, como mostra a Wavelet no o painel
inferior da Figura 3.30.
Figura 3.27 - Wavelet da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do
dia do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).
65
Figura 3.28 -Wavelet da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do
dia do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT).
Figura 3.29 - Wavelet da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do
dia do mês para a freqüência de 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT).
66
Figura 3.30 - Wavelet da média da variação da altura virtual em São José dos Campos em função do
dia do mês para a freqüência de 3 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT).
3.4.2 Apresentação das Wavelet para Palmas.
No painel superior da Figura 3.31 (00:00 UT – 21:00 LT), nota-se uma oscilação com
amplitude das alturas virtuais na ordem de 200 km praticamente todo o período em estudo
(junho de 2003 a maio 2004). Analisando o painel direito das Figuras 3.31, 3.32, 3.33 e 3.34
que apresentam o gráfico GWS (Global Wavelet Spectrum) ou Espectro de Ondeletas Global,
observa-se um forte pico de energia (variância), para o período de 16 dias, provavelmente
relacionadas com ondas planetárias geradas por variações na atividade geomagnética, segundo
Altadill e Apostolov, (2003) ou por oscilações geradas por fontes troposféricas,
(FAGUNDES, 2005). Analisando o painel inferior da Figura 3.31 a mesma oscilação com
período de dias pode ser observada no espectro de potência (Wavelet), onde a energia para o
período de 16 dias aparece mais forte para os dias Juliano entre 200 (agosto 2003) até 300
(novembro 2003), voltando a aparecer entre o dia 350 e próximo ao dia 450. Analisado o
painel inferior das Figuras 3.31 e 3.34 observa-se que as oscilações com períodos entre 2 a
4dias, aparecem com picos de energia praticamente durante o ano todo. Segundo Chen, 1992,
67
Forbes e Zhang (1997), as oscilações de quase 2 dias (QTD quase two day), estão
relacionadas com ondas planetárias em regiões de baixa latitude. No painel inferior da Figura
3.31 observa-se oscilações com períodos de 28 dias, só aparecem após o dia 400 (fevereiro
2004), com uma energia menor como mostra o gráfico GWS (painel direito), que podem estar
relacionados com a rotação do Sol . (LASTOVICKA et al, 2003; FAGUNDES et al, 2005).
No painel inferior da Figura 3.32 (06:00 UT-03:00 LT), que corresponde a madrugada,
nota-se uma diminuição na quantidade de energia para oscilações períodos de 2-4 e 6-8 dias,
que são quase inexistente durante o período entre os dias 250 (setembro 2003) até o dia 350
(dezembro de 2003). Observam-se oscilações com forte energia entre os dias 350(dezembro
2003) até o dia 400 (março 2004), para todos os períodos (2, 4, 8, 16 e 28 dias).
Figura 3.31 - Wavelet da média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para
as freqüências de 3 MHz e horário fixo de 00:00 UT (21:00 LT).
68
Figura 3.32 - Wavelet da média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para
as freqüências de 3 MHz e horário fixo de 06:00 UT (03:00 LT).
Durante o dia, no horário 15:00 UT (12:00 LT) nota-se no painel inferior da
Figura 3 .33 oscilações com pouca energia para períodos entre 3 a 4 dias. O mesmo pode ser
observado no painel da direita onde o gráfico GWS aponta apenas três picos de energia para
os períodos 8-9, 16 e 28 dias. As oscilações com períodos de 8-9 e 16 dias aparecem com
forte energia entre os dias 200 (julho 2003) a 230 (agosto 2003) e no período entre os dias 340
(dezembro 2003) ao dia 400 (março 2004). As oscilações com períodos de 28 dias aparecem
com forte energia entre os dias 250 (setembro 2003) a 400 (março 2004). Segundo Fagundes
et al, 2005; LUO Y et al, 2002) oscilações com períodos de 16 e 27 dias estão relacionados
com o período de rotação do Sol, sendo 27 dias o período e 13,5 dias o meio período. No
painel superior da Figura 3.33 verifica-se que nesse período a oscilação da amplitude da altura
virtual chega a 200 km, apresentando picos de altitude que chegam a 600 km, correspondendo
exatamente aos dias de maior energia e oscilações apresentada no painel inferior da figura.
A Figura 3.34 21:00 UT (18:00 LT) apresenta no seu painel superior uma brusca
diminuição da altura da camada, passando de 350 km em média (para 15:00 UT) para 250 km
69
com o entardecer. No painel inferior da Figura 3.34 verifica-se que as oscilações com
períodos entre 3-4 e 8-9 dias aparecem com maior freqüência durante os dias Juliano 200
(julho 2003) a 380 (janeiro 2004). As oscilações com períodos de 16 dias aparecem com
maior energia até o dia 380 (janeiro 2004) e as oscilações com 28 dias aparecem durante todo
o período entre os dias Juliano 200 (julho 2003) a 350 (dezembro 2003) voltando a aparecer
após o dia Juliano 430 (fevereiro 2004).
Figura 3.33 - Wavelet da média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para
as freqüências de 7 MHz e horário fixo de 15:00 UT (12:00 LT).
70
Figura 3.34 - Wavelet da média da variação da altura virtual em Palmas em função do dia do mês para
as freqüências de 3 MHz e horário fixo de 21:00 UT (18:00 LT).
3.5 Apresentação das Wavelet dos índices DST.
O estudo do índice Dst (Disturbance storn time) é parte fundamental para conclusão
desse trabalho, pois as atividades geomagnéticas estão relacionadas com a modulação das
ondas planetárias para oscilações com períodos entre 2 a 28 dias (ABURJANIA et al, 2004;
FAGUNDES at al, 2005; ALTADILL; SOLÉ; APOSTOLOV, 1997).
A base de dados para aplicação da Transformada em Ondeletas (Wavelet), foi
fornecida pela WDC for Geomagnetism , (Kioto University – Hourly Equatorial Dst Values
Provissional). A Figura 3.35 apresenta duas grandes tempestades magnéticas com picos
chegando a – 472 nT. A análise da Wavelet para este período de tempestade magnética,
mostra oscilações com períodos que vão de 1 dia com energia baixa até 30 dias, com picos de
energia em 28 e 30 dias como mostra o gráfico de energia GWS (Global Wavelet Spectrum)
ou Espectro de Ondeletas Global, no painel direito da Figura 3.35. A Tabela 2 apresenta a
data o dia Juliano correspondente e acumulado para os dias de atividade geomagnética mais
71
significativos que correspondem ao nível de Dst inferior a -50 nT, no período entre junho de
2003 a maio de 2004.
A Wavelet do índice de Dst (Figura 3.35), foi comparada com as Wavelets das Figuras
3.27 a 3.34 para mostrar a relação direta entre as tempestades magnéticas e as oscilações para
cada horário pré-definido em São José dos Campos e Palmas.
A Figura 3.36 apresenta a sobreposição das Wavelets de São José dos Campos com a
Figura 3.35 para o dia e a noite. A Figura 3.37 apresenta a sobreposição das Wavelets de
Palmas com a Figura 3.35 para o dia e para a noite. Essa análise permite uma comparação
direta entre as atividades geomagnéticas com as oscilações nas alturas virtuais da ionosfera.
Figura 3.35 - Transformada em Ondeletas (Wavelet) dos índices Dst para o período entre junho de
2003 a maio de 2004.
72
Figura 3.36 – (a) Sobreposição da Wavelet da Figura 3.27 com a Wavelet da Figura 3.35; (b)
sobreposição da Wavelet da Figura 3.28 com a Wavelet da Figura 3.35; (c) sobreposição da
Wavelet da Figura 3.29 com a Wavelet da Figura 3.35; (d) sobreposição da Wavelet da Figura 3.30
com a Wavelet da Figura 3.35.
Figura 3.37 – (a) Sobreposição da Wavelet da Figura 3.31 com a Wavelet da Figura 3.35; (b)
sobreposição da Wavelet da Figura 3.32 com a Wavelet da Figura 3.35; (c) sobreposição da
Wavelet da Figura 3.33 com a Wavelet da Figura 3.35; (d) sobreposição da Wavelet da Figura 3.34
com a Wavelet da Figura 3.35.
73
Tabela 2 – Índice Dst inferiores a -50 nT em dias Juliano.
DATA
Mínimo
DST
Dia
Juliano
Dia Juliano
acumulado
DATA
Mínimo
DST
Dia
Juliano
Dia Juliano
acumulado
2/6/2003 -90 153 153 16/10/2003 -67 289 289
16/6/2003 -54 167 167 17/10/2003 -71 290 290
17/6/2003 -85 168 168 18/10/2003 -67 291 291
18/6/2003 -145 169 169 19/10/2003 -67 292 292
19/6/2003 -60 170 170 20/10/2003 -69 293 293
21/6/2003 -50 172 172 21/10/2003 -71 294 294
24/6/2003 -57 175 175 22/10/2003 -84 295 295
11/7/2003 -75 192 192 24/10/2003 -65 297 297
12/7/2003 -118 193 193 25/10/2003 -67 298 298
13/7/2003 -53 194 194 27/10/2003 -70 300 300
14/7/2003 -45 195 195 29/10/2003 -345 302 302
15/7/2003 -59 196 196 30/10/2003 -388 303 303
16/7/2003 -117 197 197 31/10/2003 -320 304 304
17/7/2003 -66 198 198 1/11/2003 -75 305 305
18/7/2003 -47 199 199 11/11/2003 -78 315 315
19/7/2003 -57 200 200 13/11/2003 -66 317 317
21/7/2003 -42 202 202 14/11/2003 -62 318 318
27/7/2003 -80 208 208 15/11/2003 -64 319 319
29/7/2003 -56 210 210 17/11/2003 -60 321 321
30/7/2003 -54 211 211 20/11/2003 -472 324 324
31/7/2003 -60 212 212 21/11/2003 -320 325 325
1/8/2003 -64 213 213 22/11/2003 -99 326 326
2/8/2003 -43 214 214 23/11/2003 -87 327 327
6/8/2003 -67 218 218 5/12/2003 -66 339 339
7/8/2003 -67 219 219 6/12/2003 -60 340 340
8/8/2003 -60 220 220 9/12/2003 -58 343 343
17/8/2003 -69 229 229 10/12/2003 -60 344 344
18/8/2003 -168 230 230 7/1/2004 -69 7 296
19/8/2003 -126 231 231 22/1/2004 -149 22 216
20/8/2003 -57 232 232 23/1/2004 -89 23 276
21/8/2003 -82 233 233 24/1/2004 -60 24 305
22/8/2003 -74 234 234 25/1/2004 -86 25 279
23/8/2003 -71 235 235 26/1/2004 -63 26 302
24/8/2003 -52 236 236 27/1/2004 -27 27 338
25/8/2003 -60 237 237 11/2/2004 -109 42 256
16/9/2003 -68 259 259 12/2/2004 -56 43 309
17/9/2003 -84 260 260 9/3/2004 -71 69 294
18/9/2003 -72 261 261 10/3/2004 -77 70 288
19/9/2003 -73 262 262 3/4/2004 -97 94 268
20/9/2003 -68 263 263 4/4/2004 -112 95 253
21/9/2003 -59 264 264 5/4/2004 -81 96 284
14/10/2003 -96 287 287 6/4/2004 -65 97 300
15/10/2003 -96 288 288
74
CAPÍTULO 4
4. CONCLUSÃO
Utilizando duas ionossondas do tipo CADI realizou-se um estudo para detectar a
presença de ondas planetárias na ionosfera terrestre. As observações em São José dos Campos
(23.2
o
S, 45.9
o
W; latitude 17.6
o
S) e Palmas (10.2
o
S, 48
o
W, latitude 5.5
o
S), detectaram
oscilações com período de dias compatíveis com teoria de ondas planetárias.
A técnica utilizada para detectar os períodos dominantes consiste em utilizar séries
temporais da altura virtual dos ecos (3, 4, 5, 6, 7 e 8 MHz) e realizar a Transformadas em
Ondeletas (Wavelet), das variações das alturas virtuais da camada F.
Com a utilização dessa nova metodologia de análise de dados, utilizando dados
observados pela ionossonda CADI, notamos intensa variação das alturas virtuais da camada F
da ionosfera, com oscilações apontando períodos variando de 2 a 28 dias, divididos em quatro
grupos distintos, apresentados na Tabela 3.
Tabela3- Períodos de oscilação das alturas virtuais da camada F da ionosfera em relação a um
horário pré-estabelecido, para região de São José dos Campos e Palmas.
Período em dias
São José dos Campos
Palmas
Hora UT
Grupo
1
grupo
2
Grupo
3
Grupo
4
Grupo
1
grupo
2
Grupo
3
Grupo
4
00:00 UT (início da
noite) 4 8 16 28 4 8 16 28
06:00 UT (madrugada) 3 8 16 a 32 4 8 a 16 16 28
15:00 UT (dia) 2 8 a 16 16 a 32 4 8 16 28
21:00 UT (entardecer) 4 8 28 4 8 16
Com base nas informações obtidas com esse trabalho, podemos concluir:
75
A Tabela 3 apresenta oscilações com períodos entre 2 a 32 dias modulando a camada
ionosférica sobre a região de São José dos Campos e Palmas e, portanto existe a assinatura de
ondas planetárias na ionosfera equatorial e baixas latitudes.
Existe uma diferença entre a altura virtual média da camada ionosférica sobre a região
de São José dos Campos durante o dia (15:00UT – 12:00LT) em relação à noite (00:00UT –
21:00LT e 06:00 UT – 03:00 LT). Durante o dia, a altura virtual média da camada F, é de
300km, e durante a noite é de 250km. Na região equatorial de Palmas, a altura virtual média
da camada F durante o dia é de 350 km e durante a noite é de 300 km. Ao entardecer (21:00
UT – 18:00LT), não há diferença de altura virtual da camada F, nas duas regiões a camada
ionosférica fica em tordo de 250 km de altura. Essa diferença de altura esta relacionada com a
ação direta do Sol no processo de fotoionização da camada F, ou seja, somente ocorre quando
o hemisfério que está iluminado. Essa dinâmica de formação de íons e elétrons livres durante
o dia, é responsável pelo aparecimento da camada F
2
, que pode ser observada entre 200 km a
1000 km de altitude e engloba toda a região superior da ionosfera.
Comparando as alturas virtuais de São José dos Campos com as alturas virtuais da
camada F de palmas nos mesmos horários, foi constatado que na região equatorial a altura
virtual da camada F é aproximadamente 50 km mais alta que a camada F em baixa latitude.
A amplitude da oscilação da altura virtual na região equatorial (Palmas), é 100 km
maior que na baixa latitude (São José dos Campos) durante o dia e 50 km maior durante a
noite.
As variações sazonais influenciam diretamente a altura virtual da camada F, tanto na
região equatorial como nas baixas latitudes. Durante o verão brasileiro (novembro a janeiro),
as alturas virtuais da ionosfera em São José dos Campos durante o dia sofrem um aumento de
150 km aproximadamente e 50 km durante a noite. A região de Palmas durante o verão sofre
um aumento de 100 km durante o dia e de 50 km durante a noite. Ao entardecer (21:00 UT -
76
18:00 LT), as variações sazonais não interferem na altura da camada, permanecendo com uma
altura média durante o ano todo.
Durante o período noturno (00:00 UT e 06:00 UT), na região de São José dos Campos
e Palmas, nota-se uma relação direta entre as oscilações na altura virtual da camada F com
períodos de 2-4 dias, com as atividades geomagnéticas com índice Dst, inferior a -50 nT. Os
dias em que ocorreram picos de tempestades magnéticas observadas na Wavelet do índice de
Dst, são praticamente os mesmos dias em que as oscilações dos ecos com períodos de 2-4 dias
apresentaram maior índice de energia. Essa relação pode facilmente observada na
sobreposição das Wavelet (Figuras 3.36(a),(b) e 3.37(a),(b)).
As atividades geomagnéticas mais intensas observadas em outubro e novembro de
2003 (ver Tabela 2), estão relacionadas com oscilações na camada ionosférica com períodos
que variam de 2 a 28 dias, observadas nos períodos noturno e também no diurno (ver Figura
3.36 e 3.37), o que caracteriza a influência das atividades geomagnéticas na formação de
ondas planetárias. (FAGUNDES et al, 2005; ALTADILL; SOLÉ; APOSTOLOV, 1997; LUO
et al, 2002).
Como conclusão final dessa dissertação, após a investigação dos aspectos dinâmicos
da camada ionosférica em baixas latitudes e região equatorial sobre o território brasileiro,
constata-se que a região F é modulada por ondas com períodos que variam de 2 a 28 dias.
Sugeriu-se que as ondas com períodos de 2 a 8 dias podem estar relacionadas com
tempestades geomagnéticas e as de períodos mais longos (16 a 30 dias) estejam relacionadas
com a rotação do sol.
Como futuros trabalhos, sugere-se que estudos semelhantes a esse sejam feitos em
outras regiões com latitudes diferentes as de Palmas e São José dos Campos.
77
Também, sugere-se o estudo da interação entre as ondas planetárias com as ondas de
gravidade, e um estudo do relacionamento das ondas planetárias com o espalhamento do tipo
R ou F (“Range” ou Freqüência”).
Como sugestão final um estudo mais detalhado para explicar como as ondas
planetárias são modificadas pelas tempestades geomagnéticas.
78
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