ARLA/CLUSTER: Efeitos das camadas nas transmissões

Sexta-Feira, 24 de Novembro de 2006 - 16:49:07 WET

Pela sua estrutura, podemos considerar que a atmosfera pode ser vista como um conjunto de camadas de gases, de formato esférico. Estas estão dispostas concentricamente à Terra. Sua estrutura se relaciona com parâmetros diversos. Estes são, a grosso modo, variações térmicas, composições químicas variáveis e efeitos físicos diversos, tais como eletromagnéticos, etc. No conjunto, todos os parâmetros variam sensivelmente, pois dependem da hora, época do ano, latitude e longitude, além da atividade solar, que atua decisivamente em todo o sistema atmosférico local e global. Com respeito à propagação de radiofreqüência, a atmosfera é dividida em troposfera e ionosfera, isto ocorre devido fato de condições peculiares entre as duas regiões. A troposfera se situa entre a superfície da Terra até aproximadamente 50 km de altitude. Pode-se dizer que esta região é neutra no que tange propagação de radiofreqüência. Nela, o vapor d'água, a pressão atmosférica e sua temperatura são fatores determinantes, porém a refração de RF, desde que a mesma seja abaixo de 30 Ghz, independe da freqüência do sinal transmitido, pois praticamente inexiste devidas colisões eletrônicas. Quanto à influência sobre a propagação de RF em freqüências mais baixas, esta se dá acima dos 50 Km até aproximadamente 1.000 km. Portanto, é nesta altitude que devemos concentrar as nossas atenções, pois, é nesta região, chamada ionosfera, formada principalmente por partículas livres carregadas, ou partículas ionizadas, que o sinal de rádio ao se propagar depende da freqüência e sofre importantes influências do meio plasmático.

A atmosfera, neste caso, não pode ser enxergada como um todo, pois tem regiões que podem ser vistas como se fossem camadas diversas, cujas características diferem de maneira bastante particular. Acima da camada de ozônio, em torno de 50 km de altitude, surgem as regiões, distribuídas de forma bastante distinta, em camadas de partículas ionizadas (Ver figura ao lado). Estas são resultado da radiação solar, em especial da absorção de luz ultravioleta e raio-X pelas partículas neutras. A energia contida pela radiação solar, em especial ondas eletromagnéticas de alta freqüência, causam a fotoionização na alta atmosfera, criando assim, as ditas regiões parcialmente ionizadas. Por este motivo, esta região da atmosfera é chamada ionosfera. As camadas, ou regiões de ionização, estão contidas entre os 50 até 1.000 km acima do solo. Porém é sabido que em seu topo, isto é, para além da última camada, os íons se estendem para o espaço, misturando-se assim ao vento solar e ao plasma interplanetário interpenetrando na magnetosfera. É durante a face diurna da Terra, que se estendem e se separam as diversas camadas (ou regiões) ionosféricas. Particularmente arbitra-se que a densidade iônica forma três regiões básicas. A estas se dá o nome: ''regiões D, E e F'', as divisões destas não são de maneira tão distinta quanto mostrada por algumas literaturas, pois entre si (Nas camadas) não deixam de existir íons, o que ocorre é uma variação da densidade iônica, isso, de certa forma, delimita uma tênue fronteira que pode ser interpretada como a separação entre diferentes camadas. Esse tipo de descrição, por ''camadas'', é necessário para que se possa entender e fazer o estudo das ditas separadamente, pois, numa descrição tosca, não se separam como a água e o óleo, ou seja, não existe uma fronteira distinta e precisa que as delimitadam entre si, e sim uma diferenciação de absorção e variações da refração da RF e ressonância que variam conforme a altura, ou seja, de uma maneira muito mais sutil, por exemplo: podemos visualizar água limpa, translúcida, num recipiente transparente, derramamos um pouco de tinta nanquim, haverá um determinado momento em que a tinta se misturará à água, mas haverá uma determinada ''fronteira'' entre a ''água mais escura'' e a ''água mais clara'', nesta região fronteiriça que se forma, a variação de densidade da água é mínima, pois na ''fronteira entre a água tinta e a água, ainda é água''. Porém, apesar das ''duas águas'', uma totalmente translúcida e outra menos, devida diluição, se banhado de luz o recipiente, o comprimento de onda da luz absorvido pela água varia, digamos, há uma espécie de ''sintonia'', onde determinados comprimentos de onda de luz simplesmente passam pela água, e outros são absorvidos de acordo com a variação da ''quantidade'' de tinta diluída na região fronteiriça. Desta forma, na ionosfera as tais ''camadas'' se comportam, embora não possam ser definidas como ''camadas'' pura e simplesmente, e sim como ''regiões'', pois, cada região ionosférica, pode estar contendo, muitas vezes, diversas camadas em si. Mas, por uma questão de aceitação de conceitos através dos anos, e devidas utilizações do termo que variam conforme a região e as pessoas, atualmente aceita-se que as regiões ionosféricas sejam denominadas ''camadas ionosféricas''. Um exemplo bastante ilustrativo é a região F, em que, nas épocas de ocorrência de grande ionização, no período diurno, no verão, se divide em duas ou mais sub-regiões (ou camadas), chamadas F1 e F2. A região F após atingir o pico máximo de concentração eletrônica/iônica, tem a sua densidade decrescida e funde-se ao vento solar à medida em que subimos em direção ao espaço exterior.

A distribuição em camadas nas regiôes iônicas tem uma variação de densidade de elétrons durante o dia, por isso diferentes tipos de ondas tem a sua propagação e absorção facilitada ou dificultada, conforme as ressonâncias destas concomitantes à absorção energética ou fotoionização. O gráfico disponibilizado embaixo, mostra com bastante propriedade o fenômeno da ''reflexão'' ionosférica, segundo o comprimento de onda e fotoionização.

*Fato que chama a atenção (Nada a ver com o assunto tratado, mas bastante importante do ponto de vista ambiental) neste gráfico, é a importância da ozonosfera quanto à penetrância dos Raios-gama, Raios Ultravioleta e Raios-X.

 <http://geocities.yahoo.com.br/muf_maxima_frequencia_utilizavel/Ionosfera.jpg> 

Camada D

A camada D, é a que se situa mais próxima à superfície terrestre, sua altitude máxima está em torno dos 85 km, mas é na altitude de 80 Km que ocorre a máxima concentração eletrônica. Esta gira em torno de 10.000 elétrons/cm cúbico (el/cm3). A região D não permanece ativa durante a noite, isso ocorre devida falta de ionização e recombinação iônica, sua importância reside na propagação de RF, ou na absorção da energia eletromagnética, principalmente MF (Freqüência Média, -não confundir com freqüência modulada-), HF (Alta freqüência), e de VHF (Freqüência muito alta). Embora algumas literaturas não citem, esta região é refletora dos comprimentos de onda de LF (Freqüência baixa) e VLF (Freqüência muito baixa). As colisões eletrônicas nesta camada se dão de forma muito intensa, isso ocorre devida sua baixa altitude, portanto, alta densidade gasosa. Quando anoitece, a densidade iônica diminui, assim, a absorção diminui e fica facilitada a propagação eletromagnética devida diminuição da absorção energética. 

Camada E

A camada E, se situa entre 85 e 140 km acima do solo, sua concentração eletrônica gira em torno de 100.000 el/cm3. A densidade iônica aumenta ao nascer do Sol, subindo gradativamente, atingindo o pico em torno do Sol a pino (Meio dia), tendo após um comportamento linear no decorrer do dia e desaparecendo ao anoitecer. Nas altitudes compreendidas entre 90 a 120 Km ocorrem variações na densidade eletrônica, quando isso ocorre, gera uma sub-camada (E esporádica) cuja espessura é de poucos quilômetros.

Camada E esporádica

A camada E esporádica, representada por Es, é uma perturbação que ocorre quando elétrons energizados provindos da magnetosfera, meteoros, etc, alteram a densidade iônica na altitude compreendida entre 90 a 120 Km. Muitas vezes esta se manifesta próxima ao equador magnético durante o dia, é regular e não possui muita sazonalidade. Seu comportamento se torna interessante para propagação eletromagnética, quando ocorre em altas latitudes durante a noite e durante o dia, na região próxima ao equador magnético. Quando ocorre nas médias latitudes, fica interessante a reflexão em torno das freqüências de 100 Mhz (Nas outras regiões também reflete as mesmas freqüências), o que possibilita a comunicação em VHF em longas distâncias, muitas vezes são captados, devido este fenômeno, canais de televisões a milhares de quilômetros. A aparição da esporádica, em geral, é mais frequante no verão do que no inverno. 

Camada F1

A camada F1 ocorre em torno das altitudes de 140 km e 200 km, possui grande variabilidade eletrônica, cujos índices vão desde 250.000 el/cm3 quando as manchas solares estão em seu índice mínimo até 400.000 el/cm3 quando as manchas solares estão em seu índice máximo.

Esta camada desaparece durante a noite refrata e difunde a RF.

Camada F2

A camada F2 se situa a partir dos 200 Km e vai até 1000 Km, podendo chegar aos 2000 Km. A determinação de seu limite inferior é dada pela distribuição e concentração eletrônica (Iônica). O seu limite superior é bastante variável, pois tem grande influência determinada pela densidade iônica, esta por sua vez, varia conforme o ciclo diário da sombra solar, que por sua vez é variável conforme o ângulo de incidência energética, que também é influenciado pela atividade solar. Portanto, além da hora do dia, a densidade eletrônica tem como variáveis o ciclo solar, as alterações magnetosféricas, a hora, e outras muitas variáveis químico-físicas da atmosfera baixa e da alta. Todas as alterações ocorrem segundo a altitude e são proporcionais à irradiação, que por sua vez, variam também conforme a longitude e latitude, portanto, uma previsibilidade do comportamento ionosférico em F2 torna-se bastante trabalhosa necessitando de modelos e sistemas de cálculos muito sofisticados, e, mesmo assim a margem de erro deve ser bastante elástica. Na camada F2, pode-se afirmar que seu comportamento, no que tange à concentração iônica, obedece a um padrão distributivo difuso. À este padrão se dá o nome de ''Spread F'', sua ocorrência é noturna, assim, conforme descrito, existe uma grande variação de densidade eletrônica, esta provoca o aparecimento da cintilação dos sinais de rádio que por ela se propagam, além da cintilação dos sinais de rádio, ainda faz ocorrer a cintilação da visualização de corpos celestes além de variações na recepção de toda e qualquer manifestalção eletromagnética provinda do outro lado da ionosfera, principalmente em VHF e HF.

Variações comportamentais conforme o comprimento de onda.

Devidas descrições traçadas, se pode afirmar que a ionosfera, dependendo da altitude, concentração de elétrons, etc, tem comportamentos diversos, muitos ocorrendo simultaneamente numa mesma região ou em regiões diferentes. Também, reforçando a imprevisibilidade de seu comportamento, sabe-se que a ionosfera ressona e reage de formas diversas em freqüências diferentes conforme a variação de sua altitude e/ou densidade de elétrons. As regiões ionosféricas (D,E,F) possuem a característica de reagir de maneiras diferentes conforme o comprimento de onda em si propagado. Isso ocasiona uma diferença de comportamento das freqüências críticas que variam conforme a camada, ou região. Ou seja, para cada região existe a sua própria freqüencia crítica, que nada mais é do que a Máxima Freqüência Utilizável, chamada de MUF (inglês) ou MFU (português) com sua própria incidência vertical que pode ocasionar a reflexão segundo a camada e sem ter influência do campo magnético da Terra diretamente. 

Assim, é sabido que o VHF atravessa todas as camadas da ionosfera, salvo em ocasiões raríssimas que ocorrem mais pelo efeito atmosférico ordinário (Inversões térmicas, etc), também se conhecem os efeitos dos sinais de LF, MF e HF, que são comprimentos de onda que tem as suas Máximas Freqüências Utilizáveis variáveis e dependentes da altitude, da densidade eletrônica que obedece aos ciclos solares diários, anuais, e periódicos (O ciclo dos 11 anos) e variam ainda de forma distinta, isto é, cada região tem um comportamento diferente da outra no que tange a periodicidade, estes podem ocorrer ao mesmo tempo, no mesmo sentido ou não, conforme descrito no texto.

MUF ou MFU

De acordo com pesquisas elaboradas durante o passar do tempo, chegou-se então a uma sistematização na elaboração de conceitos e modelos matemáticos onde se pode ''prever'' o comportamento da ionosfera segundo a freqüência. 

Ver nas figuras embaixo.

=>Incidência vertical

 <http://geocities.yahoo.com.br/muf_maxima_frequencia_utilizavel/F2_Incidencia_Vertical_py5aal_Angeloleithold.jpg> 

=> Incidência não vertical

 <http://br.geocities.com/atmosfera_ionosfera/muf_maxima_frequencia_utilizavel_py5aal.gif>  

+Lei da Secante <http://geocities.yahoo.com.br/muf_maxima_frequencia_utilizavel/Ionosfera_Lei_da_secante_py5aal_Angeloleithold.jpg> 

=> MUFF: Fator de Máxima Freqüência Utilizável.

 <http://geocities.yahoo.com.br/muf_maxima_frequencia_utilizavel/Ionosfera_MUFF_Fator_de_Maxima_Frequencia_Utilizavel_py5aal_Angeloleithold.jpg> 

Existe uma grande diferença entre ceder conhecimento para se mostrar e esnobar e ceder conhecimento para simplesmente ajudar. Portanto, ajudemos....

Cordiais cumprimentos  --- CT2JHU

Roland Gomes

Gestor de Projectos/Consultor

OniTelecom/Infra-estruturas Cliente e Gestão de Projecto

<http://www.oni.pt/> 

-------------- próxima parte ----------
Um anexo em HTML foi limpo...
URL: http://radio-amador.net/pipermail/cluster/attachments/20061124/95cef820/attachment.htm