ARLA/CLUSTER: Reflexão na ionosfera

[Roland Gonçalves Gomes]

Boa tarde 
 
Junto envio alguns conceitos sobre o fenómeno da Reflexão na ionosfera
 
 
 
Reflexão ionosférica

<http://br.geocities.com/muf_maxima_frequencia_utilizavel/> 

Além de se ter noções da ionosfera e sua estrutura, há que saber o que é a reflexão. 

A reflexão

Em física o fenômeno da reflexão consiste na mudança da direção de propagação da energia, ou retorno da energia incidente em direção à região de onde ela é oriunda, após entrar em contato com uma camada refletora. Esta pode ser uma superfície, ou a região fronteiriça de duas ou mais camadas gasosas ou líquidas cujas densidades são diferentes. A energia pode tanto estar manifestada na forma de ondas como transmitida através de partículas. Por isso, a reflexão é um fenômeno que pode se dar por um caráter eletromagnético, óptico ou sonoro.

Som.

Quando se emite algum tipo de onda sonora, havendo um obstáculo em seu caminho, estas vão refletir e retornarn na direção oposta à sua direção de propagação. A impressão que se tem é a repetição do som, ou o eco.

Luz.

Ao emitirmos uma onda de luz de uma fonte em direção a um objeto qualquer, observamos a sua reflexão através das cores deste, logo, não vemos a totalidade da luz emitida, mas somente parte desta. Isto se deve às reflexãoes de determinados comprimentos de ondas da luz incidente sobre eles serem absorvidos apenas parcialmente, pois, quando olhamos para um objeto opaco, registraremos somente a parcela não absorvida da luz que chegou.

Desta forma, se tivermos um objeto banhado por determinados comprimentos de onda de luz, este adquirirá diferentes colorações, dependendo da luz que chega a si. Desta forma, sendo o modelo de cor azul, recebendo luz policromática (branca), este ficará azul, porém, ao receber luz monocromática amarela, sua coloração tenderá ao verde. Sendo o objeto vermelho, e recebendo sobre si a luz monocromática verde, a cor enxergada pelos nossos olhos será a negra . Esta ocorrência é devido fato que somente os comprimentos de ondas correspondentes ao vermelho serão refletidos pelo objeto, sendo os demais absorvidos. Uma vez que a cor verde está inserida na faixa espectral absorvida, não existirá reflexão de luz ficando negra aos nossos olhos. Isto é, houve a absorção total da luz vermelha pelo objeto. Portanto está assim definido o fenômeno da reflexão e seu concomitante absorção. Isto é importante para que possamos entender o porquê determinados comprimentos de ondas são absorvidos nas camadas altas da ionosfera.

Qualquer onda de luz incidindo numa superfície polida não será absorvida e refletirá no mesmo ângulo de incidência. Todos os tipos de ondas se comportam segundo a regra da reflexão, desde ondas mecânicas numa corda, ondas de uma pedra atirada nas águas de um lago tranqüilo, a luz, o som e as ondas de rádio.

Desta forma podemos nos perguntar porque as ondas de rádio refletem na alta atmosfera, pois não é sólida nem muito menos polida. 

Na própria luz visível temos alguns fenômenos bastante interessantes cá no solo. Por esxemplo, em dias de sol forte, ao observarmos o chão, notamos que olhando-o tangencialmente, uma espécie de ''miragem'' se forma. Isto ocorre porque existe uma camada de ar quente bem próximo ao chão, tendo esta uma densidade diferente da imediatamente acima, mais fria. Ao incidir um raio de luz em ângulo razante, devidas diferenças de densidades, ocorre a reflexão total. Desta forma, enxergamos uma imagem distorcida causada pela descontinuidade da camada de ar, aquela é a reflexão dos raios de luz de algum objeto no horizonte, cujas linhas luminosas estão em ângulo bastante aberto e tangencial em relação ao solo. Se agora molharmos o solo (podendo ser o asfalto, por exemplo), notaremos que haverá uma mudança brusca na reflexão. Isto ocorre porque estando seco o solo, a luz é difundida para todas as direções (reflexão difusa), tendo o asfalto muitas saliencias e reentrâncias, estas refletem a luz de maneiras diferentes, variando assim em diversos ângulos. Molhado o solo, se forma uma película úmida em si, este ''filme'' provoca a reflexão direcionada chamada também de especular, melhorando assim a reflexão dando a impressão visual de um tom escurecido.

Difusão da energia eletromagnética na ionosfera (RF) 

Assim, a radiofreqüência se comporta de maneira similar na ionosfera. As variações que se dão por diferença de densidade do ar, no caso da luz, já no caso de frentes de ondas eletromagnéticas, serão por densidade eletrônica, ou iônica. Portanto, a propagação das ondas eletromagnéticas inseridas no meio plasmático ionosférico, se comporta analogamente como as ondas sônicas dentro de fluídos de diferentes densidades, ou mesmo de forma similar à propagação de raios luminosos dentro de um líquido, a exemplo de um aquário, onde para quem olha de baixo para cima, muitas vezes vê a própria imagem refletida sem enxergar o lado de fora, dependendo do ângulo de observação. 

As ondas eletromagnéticas, assim como as ondas sônicas e luminosas, se comportam ora refletindo, ora refratando, ora sem oferecer resistência alguma no meio onde se propagam. Seu comportamento deverá variar conforme a variação das condições físicas. Num plasma com ''n'' colisões por segundo de partículas, entre estas: íons; átomos; moléculas; elétrons; etc, os movimentos termo-eletrônicos têm características ora fluidas, ora sólidas, ora gasosas, e ao mesmo tempo ressonam nos mais diferentes comprimentos de onda. 

Esta ressonância é a responsável pela absorção de determinados comprimentos de ondas, a exemplo da luz verde em objeto vermelho.

A ionosfera, dependendo da insolação, nas bandas de Raio-X e luz ultra-violeta, separa-se em camadas e ressona em diversos comprimentos de ondas. Isso ocorre devida absorção energética de seus componentes. No plasma ionosférico encontramos condutividade iônica e permessividade 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 ou refratar determinados comprimentos de onda praticamente sem perdas, ou em outros momentos absorver outros comprimentos de onda inutilizando totalmente a propagação destas conforme o exemplo ilustrado mais no início do artigo, onde me referi ao objeto vermelho que recebe sobre si a luz verde. 

Durante o dia, na ionosfera, acontece o aparecimento de camadas segundo a ionização, destas a ''D'' que é a mais próxima ao solo e a menos energética, mas a que ressona nos maiores comprimentos de ondas. 

A camada D fica situada entre os 50 e 80 km de altitude. Não reflete radiofreqüência e é a responsável pela maior quantidade de absorção de energia eletromagnética, justamente devida absorção nos comprimentos de onda longos. 

O aparecimento da camada D é ao amanhecer, indo acumulando energia por absorção até o pôr do sol, permanecendo até após o anoitecer. Atinge o pico de ionização ao final da tarde, porém de todas as camadas ionosféricas é a que menos refrata e praticamente não reflete os sinais de rádio que passam por si. 

As freqüências mais afetadas pela absorção desta camada estão situadas abaixo dos 10 Mhz, portanto, quando está muito ionizada pode causar o fechamento de propagação nos comprimentos de onda de 40m durante o dia.

Acima da camada D, está a camada E, esta se localiza embaixo das camadas F1 e F2 (durante o dia), sua altitude média é entre os 80 e os 100-140 km. 

 <http://br.geocities.com/atmosfera_ionosfera/NasaIonosphereSchema_py5aal.jpg> 

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, 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, e é muito reflexiva. 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 radiofreqüência incidente que atravessa a camada E, atravessa a F1, porém muitas vezes refrata. Ao fazê-lo altera seu ângulo de incidência sobre a camada F2, refletindo nesta.

 <http://br.geocities.com/atmosfera_ionosfera/Refracao_ionosfera_py5aal_Lei_de_Snell.gif>  

De acordo com o gráfico acima, nota-se que à medida em que se sobe nas camadas ionosféricas o ângulo de refração se altera, formando um gráfico curvilíneo, exceção à regra é somente a camada D, pois as demais refletem e refratam as diversas freqüências incidentes, enquanto a mais baixa devida ressonância iônica apenas absorve energia.

Acima da camada ''E'', excepcionalmente a ''E esporádica'', se encontram as camadas F1 e F2. A camada F1 e a camada F2, são resultantes da camada F que se separa durante o dia devida ionização (Observar o gráfico ao lado).

Durante o dia, a camada F1 é coadjuvante da reflexão de rádio, pois a maior parte desta se dá na camada F2. É importante frizar que nas camadas E e F1 também ocorre a absorção de Rf, porém não tão severa quanto sua ocorrência na camada D. Algumas vezes a absorção e refração nas camadas pode ocasionar um fenômeno interessante e comum, é a monopropagação, isto é, a propagação de determinada comunicação somente num sentido. (Ver gráfico embaixo)

 <http://geocities.yahoo.com.br/atmosfera_ionosfera/Monotransmissao_Angelo_Leithold_1975.jpg> 

É na camada F2 onde se dá a principal reflexão ionosférica. Isto ocorre devidas alterações nas angulações da propagação do feixe eletromagnético incidente , pois à medida em que a RF vai sendo refratada, vai mudando o ângulo de incidência, o que de certa forma facilita a reflexão nas camadas superiores.

É por este motivo que a principal camada visada pelos projetistas de antena s é a F2 que é utilizada para as comunicações em altas freqüências à longa distância. 

A sua altitude varia conforme a hora do dia, época do ano, condições de vento e ciclo solares. A propagação e reflexão obedecem a diversas variáveis, sendo o ciclo solar o principal interferente nas condições de propagação via ionosfera. 

O aparecimento da camada F2 se dá ao nascer do Sol, quando a camada F se desmembra em F1 e F2. A reflexão nesta camada pode gerar o aparecimento do fenômeno raro da dutificação da radiofreqüência, ocasionando contatos à dezenas de milhares de quilômetros e ecos ionosféricos.A camada F2 é a mais alta das camadas ionosfericas, está entre os 200 e 400km de altitude. Quando se tem uma antena Yagi apontada diretamente para cima ocorre um fenômeno interessante na camada F2, que é o espalhamento da RF e o surgimento do ´´audio de catedral'', isto é, uma espécie de eco que acompanha à transmissão de rádio executada.





. <http://br.geocities.com/atmosfera_ionosfera/NasaIonosphereSchema_py5aal.jpg> 

.Leis da reflexão

A reflexão pode ser explicada totalmente com base em leis,de cunho geral. Para enuncia-las, é preciso antes definir alguns conceitos.

*O fenômeno da reflexão ocorre quando os raios que incidem sobre um objeto voltam para o meio no qual ocorreu a incidência

*Normal é a semi-reta que se origina a partir da superfície refletora, situando-se perpendicularmente a esta. 

*Ângulo de incidência é o ângulo cuja direção de deslocamento da energia faz com a normal .

*Ângulo de reflexão é o ângulo cuja direção da energia refletida faz com a normal .

Leis da reflexão:

*A direção da energia incidente, a normal e a direção da energia emergente pertencem a um único plano. 

*O ângulo de incidência tem valor igual ao valor do ângulo de reflexão. 

A reflexão difere da refração porque nesta segunda, há desvio da energia para meio diverso do meio de onde se originou.

Quando estamos diante de uma superfície refletora, um espelho, por exemplo, enxergamos a nossa figura devida reflexão, aliás, tudo o que enxergamos é resultado da reflexão da luz nos objetos. É um fenômeno tanto da física ondulatória como na física de corpos materiais. O primeiro a formular uma explicaçao para a reflexão (especificamente, a da luz) foi Heron de Alexandria. Utilizando-se do princípio aristotélico que diz que a natureza nada faz de modo mais difícil, argumentou que a luz percorre o menor caminho entre dois pontos quaisquer. Ora, se a luz é obrigada a se desviar durante o percurso, ainda assim percorre o menor caminho entre a fonte e o alvo. A esse princípio de óptica geométrica damos o nome de princípio de Heron.Fermat enunciou um princípio semelhante que assinalava que o tempo era mínimo e não a distância percorrida. Esse princípio é conhecido como princípio de Fermat.

Reflexão

Exemplo de reflexão especular: Note na fotografia embaixo, que a imagem se repete na água, isto é resultante da reflexão especular.

. <http://geocities.yahoo.com.br/reflexao_ionosferica/Iguacu_Angeloleithold_py5aal.jpg> 

.Reflexão especular: Quando os raios incidentes atingem uma superfície lisa.

A reflexão especular.

Quando estamos diante dum espelho, observamos que, se não ficarmos em determinada posição, não enxergaremos nossa imagem. Isso ocorre devido fato dos raios que são refletidos numa só direção, pois , propagam-se paralelamente. Essa reflexão ocorre nas superfícies polidas, a exemplo de espelhos, metais, água parada, etc, é denominada reflexão especular.

. <http://geocities.yahoo.com.br/reflexao_ionosferica/Reflexao_py5aal_Angelo_leithold.jpg> 

Na figura embaixo, vê-se que os raios de luz incidente em superfície corrugada se propagam em diversas direções, esta é a difusão da energia eletromagnética (LUZ) em todas direções.. <http://geocities.yahoo.com.br/reflexao_ionosferica/luz_difusa_py5aal_angelo_leithold.jpg> 

A reflexão difusa

Quando enxergamos um objeto qualquer, uma esfera, por exemplo, ou mesmo uma pessoa, de qualquer ângulo que observarmos este objeto, vamos enxergá-lo, desde que banahado de luz. Isso ocorre porque os raios ou a luz está sendo refletida em todas as direções. Esse tipo de reflexão sempre vai ocorrer nas superfícies irregulares microscopicamente, difundindo o feixe luminoso em diversas direções, por este motivo é denominada reflexão difusa.

<=Na figura ao lado, vê-se a ionização da ionosfera, esta foto foi tirada do ônibus espacial. Observe que ao lado esquerdo da imagem se encontra um esquema da estrutura atmosférica.

Sabe-se que o plasma ionosférico não é líquido, nem sólido, tampouco gasoso, podendo se comportar das três formas separadamente ou concomitantemente. Seu comportamento é difícil de determinar com antecedência, por isso as previsões de condições de propagação de radiofreqüência são tão complexas e se baseiam em estatísticas históricas. 

. <http://geocities.yahoo.com.br/reflexao_ionosferica/PY5AAL_IONOSFERA_Angeloleithold.gif> 

.Em cima, camadas da atmosfera segundo a distribuição molecular e iônica

.Embaixo, o comportamento da ionosfera durante o dia

. <http://geocities.yahoo.com.br/reflexao_ionosferica/Diurnal_ionospheric_current_py5aal.jpg> 

Embaixo:Divisão em camadas segundo concentração iônica, variando conforme a hora do dia.

 <http://geocities.yahoo.com.br/atmosfera_ionosfera/Distribuicao_eletronica_da_ionosfera_py5aal.jpg> 

. <http://br.geocities.com/reflexao_ionosferica/Atmosfera_ionosfera_py5aal_angelo_leithold.jpg> 

.Em cima a atmosfera e suas camadas

 
 
Cordiais cumprimentos  ---- CT2JHU
 
 

Roland Gomes

Gestor de Projectos/Consultor

OniTelecom/Infra-estruturas Cliente e Gestão de Projecto

 

 

 
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