Ionosfera
A ionosfera é a camada da atmosfera que se localiza entre 60 km e 1000 km de altitude e é composta de íons, plasma ionosférico e, devido à sua composição, reflete ondas de rádio até aproximadamente 30 MHz.
O maior agente de ionização da ionosfera é o Sol, cuja radiação nas bandas de raio X e ultravioleta insere grande quantidade de elétrons livres em seu meio. Os meteoritos e raios cósmicos também são responsáveis pela presença secundária de íons na região. Na ionosfera a densidade de elétrons livres é variável de acordo com a hora do dia, estação do ano, e as variações da composição química da alta atmosfera. A propagação de ondas eletromagnéticas no plasma ionosférico, se comporta analogamente como ondas sônicas dentro de fluídos de diferentes densidades. Ora refletindo, ora refratando, ora sem oferecer resistência alguma, e ora refletindo e refratando ao mesmo tempo. Num plasma com N colisões elétron - partículas (íons, átomos, moléculas,elétrons, neutrinos, etc), levando-se em conta o movimento térmico dos elétrons, pode-se dizer que tem ora características fluidas, ora características sólidas, pois o plasma não é líquido, nem sólido, tampouco gasoso, portanto, comporta-se de maneira anômala aos nossos sentidos, porém fácil de ser analisado e rastreado seu comportamento matematicamente.
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No Brasil, a pesquisa da ionosfera é principalmente executada pela Divisão de Aeronomia do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais). Iniciou em 1963, através da recepção de sinais de satélites. Em 1973 iniciou-se em Cachoeira Paulista,SP, a pesquisa através de ionossondas. Em 1975 foi a vez de Fortaleza, Ceará. Em 1984 o Ministério da Aeronáutica autorizou o CTA a efetuar experiências e sondagens com foguetes e equipamentos desenvolvidos pelo INPE. A Universidade Estadual do Maranhão juntamente com o INPE recentemente, construíram um observatório espacial em São Luis, MA. Onde está instalada uma digissonda, e está sendo terminado um radar de espalhamento coerente (ESCO) cuja prioridade é estudar o comportamento da ionosfera e seus fenômenos sobre o Brasil, dentre eles é executado o estudo do comportamento dos processos dinâmicos, eletrodinâmicos e químicos do plasma ionosférico. Os dados de sensoriamento remoto da ionosfera são obtidos utilizando foguetes, satélites, sistemas de modelagem e simulação dos processos ionosféricos e termosféricos.
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A cada 11 anos, obedecendo ao Ciclo Solar, a densidade de elétrons e a composição da ionosfera sofrem mudanças radicais. Muitas vezes estas mudanças bloqueiam totalmente as comunicações em alta frequência. A composição da atmosfera a partir dos cem quilômetros de altitude, embora tênue, varia. Os gases O2; O; N2; N na alta atmosfera estratificam-se e absorvem radiações quantitativamente, uma vez que o nível de absorção varia conforme sua densidade. A densidade de ionização varia proporcionalmente com a altura formando desta forma camadas de absorção distintas e variáveis, conforme a hora do dia, temperatura e irradiação solar.
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Nas zonas mais baixas da atmosfera, os elétrons livres e íons desaparecem. Isto ocorre devido à maior densidade de partículas, portanto, a recombinação prevalecerá sobre a ionização. A densidade dos gases nas zonas mais altas é muito baixa. A quantidade de radiação, ou seja, a energia vinda do espaço é muito grande até determinada altitude, contudo, não existem gases, átomos, ou moléculas livres suficientemente para serem ionizadas. Só haverá ionização à medida que mergulhamos na atmosfera, até uma certa profundidade limítrofe.
A propagação de ondas eletromagnéticas no plasma ionosférico, se comporta analogamente como ondas sônicas dentro de fluídos de diferentes densidades. Ora refletindo, ora refratando, ora sem oferecer resistência alguma. Num plasma com n colisões por segundo de partículas, entre estas: íons; átomos; moléculas; elétrons; neutrinos; etc, o movimento termoeletrônico tem características ora fluidas, ora sólidas, ora gasosas. O plasma ionosférico não é líquido, nem sólido, tampouco gasoso, seu comportamento é difícil de prever, por isso as previsões de condições de propagação de radiofrequência são tão complexas.
Oscilação de propagação de ondas eletromagnéticas
A ionosfera dependendo da hora do dia ou da insolação, nas bandas de Raio-X e luz ultravioleta, separa-se em camadas, isso ocorre devido à absorção energética de seus componentes. No plasma ionosférico encontramos condutividade iônica e permissividade eletromagnética , isto é, em alguns momentos parece se comportar como um condutor elétrico ou placa metálica, em outros pode se comportar como um condutor sintonizado em determinadas freqüências podendo refletir determinados comprimentos de onda praticamente sem perdas, absorver outros comprimentos de onda inutilizando totalmente a propagação destas.
A reflexão ionosférica é explorada por sistemas de radiodifusão com as antenas de transmissão em ângulo baixo. As propriedades operacionais das ionossondas (sistemas compostos de transmissores, receptores e antenas direcionais apontadas diretamente para a ionosfera) propiciam um conhecimento do comportamento da região. O princípio da reflexão ionosférica em ângulos altos é utilizado há muitos anos para pesquisas, porém pouco utilizado nas comunicações. O efeito ocasionado por inúmeras camadas sucessivas de ionização leva à reflexão das ondas de rádio. Este efeito ocorre sobre uma faixa de alturas estreita e em baixas frequências, onde, ou os raios refratam, ou refletem. No caso da refração a distância atingida por estes é apreciável, chegando a milhares de quilômetros. No caso da reflexão, esta não ultrapassa a algumas centenas de quilômetros. O espalhamento fraco e incoerente de energia ocorre devido às flutuações térmicas e aleatórias da densidade eletrônica no plasma ionosférico. Este espalhamento tem sua eficiência aumentada pelas irregularidades ionosféricas e pelo aumento da densidade iônica.
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Durante o dia o aumento da densidade ionosférica é significativo, consequentemente, a altitude da região diminui. À noite com a diminuição da densidade, a ionosfera aumenta sua altitude ficando mais tênue, propiciando um aumento da propagação de ondas de rádio para distâncias maiores.
Do solo para cima a ionosfera se divide em camadas de ionização. Estas variam conforme a hora do dia, estações do ano e condições solares. As camadas iônicas da ionosfera são: D;E;F1;F2;
Camada D
A região D, ou camada D é a mais próxima ao solo, fica entre os 50 e 80 km, é a que absorve a maior quantidade de energia eletromagnética, seu comportamento é diurno, aparece no momento em que as moléculas começam a adquirir energia solar. Esta camada permanece por alguns instantes no início da noite. Ionicamente é a menos energética. É a responsável pela absorção das ondas de rádio durante o dia.
Camada E
A camada E se situa acima da camada D, embaixo das camadas F1 e F2, sua altitude média é entre os 80 e os 100–140 km. Semelhante à camada D, durante o dia se forma e se mantém, durante a noite se dissipa. Em algumas ocasiões, dependendo das condições de vento solar e energia absorvida durante o dia, a camada E 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.
Camada F1
A camada F1 está acima da camada E e abaixo da camada F2 ~100-140 até ~200 Km. Existe durante os horários diurnos, acompanhando o comportamento da camada E, podendo esporadicamente estar presente à noite. Serve de refletora em determinadas freqüências, esta reflexão varia conforme a espessura que adquire ao receber energia solar. Normalmente a radiofrequência incidente que atravessa a camada E, atravessa a F1. Ao fazê-lo refrata-se, alterando seu ângulo de incidência sobre a camada F2, refletindo nesta.
Camada F2
A camada F2 está entre os 200 e 400 km de altitude. Acima da F1, E, e D respetivamente. É o principal meio de reflexão ionosférica, utilizada para as comunicações em altas freqüências à longa distância. A altitude da F2 varia conforme a hora do dia, época do ano, condições de vento e ciclo solares. A propagação e reflexão obedecem a estas variáveis. Seu aparecimento ocorre ao nascer do Sol, quando a camada F se desmembra em F1 e F2. A refração nesta camada pode gerar o aparecimento do fenômeno raro da dutificação da radiofrequência, ocasionando contatos a dezenas de milhares de quilômetros e ecos ionosféricos. Também a reflexão da radiofrequência nesta camada propicia a comunicação a milhares de quilômetros.
Camada F3
A camada F3 é uma região ionosférica que se localiza acima da camada F2 em latitudes equatoriais numa altitude presumida entre 500 km e 700 km e se forma após o amanhecer. A maior densidade eletrônica de F3 se dá a aproximadamente 170° de latitude tendo um pico ao norte e outro ao sul do equador magnético.
No Brasil a pesquisa da ionosfera é principalmente executada pela Divisão de Aeronomia do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, INPE. Os estudos ionosféricos iniciaram em 1963, através da recepção de sinais de satélites. Em 1973, em Cachoeira Paulista,SP, a pesquisa através de ionossondas teve seu aprimoramento e alargamento dos dados coletados. Em 1975, em Fortaleza, Ceará foram instalados equipamentos de pesquisa, entre estes antenas transmissores e ionossondas de grande precisão. Em 1984, o Ministério da Aeronáutica brasileiro autorizou o Centro Tecnológico Aeroespacial (CTA) a efetuar experiências e sondagens com foguetes ionosféricos e equipamentos desenvolvidos pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE). A Universidade Estadual do Maranhão e o INPE, firmaram um convênio tecnológico e construíram um observatório espacial em São Luís, Maranhão, este foi equipado com uma digissonda, e um radar de espalhamento coerente (ESCO).
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Segundo "José Humberto Andrade Sobral no artigo Sobre a Importância Estratégica da Ciência Espacial para o Brasil, PARCERIAS ESTRATÉGICAS - número 7 - Outubro/1999 " A ionosfera e a termosfera equatorial constituem um sistema acoplado que possui características distintas quando comparadas a outras latitudes terrestre. Entre estas podem ser citados o eletrojato equatorial, cuja importância reside no fato de haver correntes eletrônicas fortíssimas numa altitude de 110 Km, ao longo do equador magnético terrestre. Existe também a Anomalia de Ionização Equatorial, também conhecida como Anomalia de Appleton, no plasma ionosférico. Formada por duas regiões de alta densidade de plasma sobre os trópicos que circulam paralelas ao equador magnético. Ainda sobre o Brasil, existe uma anomalia nominada Anomalia Geomagnética Brasileira (Também denominada Anomalia Geomagnética do Atlântico Sul), esta, de todas as anomalias está totalmente sobre o Brasil, se estendendo sobre boa parte da América do Sul, estando espalhada sobre o Atlântico Sul, atingindo parte da África do Sul. Na região onde ocorre, o campo magnético terrestre, também chamado campo geomagnético, é mais fraco que em qualquer outra parte do planeta. Isso ocorre, devida excentricidade do eixo do dipolo magnético terrestre. A consequência imediata são as fortes precipitações de prótons e elétrons provindos dos cinturões de radiação de Van Allen. Pode causar defeitos em satélites, indução de correntes no solo, black-out's de distribuição de energia elétrica em todo território brasileiro e zona de influência. A Anomalia, pode influir nas regiões ionosféricas aumentando ou diminuindo a densidade do plasma de alta altitude. Dependendo das condições solares, pode ser responsável pelo mascaramento dos sinais de radar, interferências nas telecomunicações, além de danos em sistemas e equipamentos eletroeletrônicos.
