Estudo da propagação de rádio e das descargas atmosféricas no Atlântico sul, Notas de estudo de Física

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FACULDADES INTEGRADAS “ESPÍRITA”

BACHARELADO EM FÍSICA

ÂNGELO ANTÔNIO LEITHOLD

ESTUDO DA PROPAGAÇÃO DE RÁDIO E DAS DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS NA REGIÃO DA ANOMALIA MAGNÉTICA DO

ATLÂNTICO SUL

Curitiba

ÂNGELO ANTÔNIO LEITHOLD

ESTUDO DA PROPAGAÇÃO DE RÁDIO E DAS DESCARGAS

ATMOSFÉRICAS NA REGIÃO DA ANOMALIA MAGNÉTICA DO

ATLÂNTICO SUL

Monografia apresentada como requisito parcial para a obtenção de aprovação no TCC grau do curso de Bacharelado em Física das Facul- dades Integradas “Espírita”.

Orientador: Prof. MSc. Albary Laibida Ju- nior

Curitiba

DEDICATÓRIA

Dedico o presente trabalho à minha eterna companheira Silmara, aos meus filhos Juliana, Alfredo, Elisa e Darci e ao meu genro William.

AGRADECIMENTOS

Agradeço a todos que me ajudaram na elaboração deste trabalho: professores, funcionários e colegas, em especial ao meu Orientador professor Albary Laibida Júnior, por ter dedicado horas e horas na leitura, correção e orientação verdadeira e competente. Agradecimentos ao professor Amauri José da Luz Pereira, que sem o seu apoio incondi- cional por 4 anos eu jamais teria chegado aqui, e ao professor Marlos de Oliveira Ribas, que além de um grande mestre é um grande amigo. In Memoriam, ao professor Octávio Melchíades Ulysséa, pelo apoio, carinho e por me levar a sério.

RESUMO

O presente trabalho tem dois objetivos específicos: o primeiro é o monitoramento da vari- ação de propagação de radiofrequência na faixa de 7,00 MHz, influenciada pelas condições iônicas da alta atmosfera, que por sua vez são determinadas pela atividade solar. O se- gundo, estuda a relação entre a quantidade de descargas atmosféricas na região em que a AMAS está mais próxima da superfície, comparada a outras regiões fora do “mergulho” do cinturão interno de Van Allen.

Palavras-chave: rádio, monitoramento, medidas, ruído, ionosfera, ciclo solar.

ABSTRACT

This work has two specific divisions: The first studies the relationship between the amount of lightning region in which the AMAS is closer to the surface compared to other regions outside the ”dip” of inner Van Allen belt. The second is the variation of probing radio prop- agation radio frequency in the range of 7.00 MHz, influenced by the conditions ion of the upper atmosphere, which in turn are influenced by solar activity.

Key words: radio, monitoring, measurements, noise, ionosphere, solar cycle.

11 Intensidade de campo magnético na região da AMAS dada em nT. A mar- cação em azul, entre as Latitudes aproximadas de 16^ e 32^ Sul, indica a região de menor campo magnético. O círculo vermelho com marcação de centro, indica a região aproximada de reflexão de partículas. (Fonte: Modifi- cada NGDC NOAA 2010)............................ 36

12 Antena e transceptor. Laboratório de radiociência montado na residência do autor equipamentos próprios. Latitude: 2530’52”S, Longitude:4914’44”W. (Fonte: Leithold, A.A. 2007)........................... 40

13 Laboratório de radiociência durante os preparativos de radiomonitoramento (Fonte: Leithold, A. A.; 2008).......................... 43

14 Espectrômetro de Pardinho durante os testes iniciais de transmissão e insta- lação do sistema irradiante. (Fonte modificada: Pereira, E.; 2008)...... 44

15 No lado esquerdo, está uma vista aérea do local onde foi instalada a antena de quadro vertical para radiociência. As linhas foram reforçadas pelo fato de não estar claras na imagem. No lado direito está a foto da antena e todo o seu detalhamento. (Fontes: Lado direito Google Earth modificado, lado esquerdo: Leithold, A. A.; 2007)........................ 45

16 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS: 1- Monitoramento por satélites. (Fonte Mo- dificada: NASA) - 2- Localização do Espelho Magnético em 1972 (Fonte: COUTINHO, E.F. 1972) - 3 Monitoramento ELAT. (Fonte Modificada: ELAT- INPE 2010) 4- Descargas Atmosféricas por metro quadrado por ano.(Fonte Modificada: NASA, 2010)............................ 48

17 Mancha solar 1007. (Fonte modificada: NASA, 2008)............. 51

18 Chegada de RX proveniente da atividade solar juntamente com a mancha solar 1007 - 27/10/08 a 30/10/08, se observa que não houve uma grande variação dos RX além de um pequeno aumento de intensidade. (Fonte mod- ificada: NASA, 2008).............................. 52

19 Monitoramento de RX de 27/10/2008 a 10/11/2008, do dia 02/11/2008 ao dia 08/11/2008 nota-se um aumento da intensidade dos RX, principalmente entre 1,0 a 8,0 Å. (Fonte modificada: NASA, 2008).............. 53

20 Registro do ruído de fundo comparado ao sinal enviado do Laboratório de Radiociência em 08/11/2008, às 22:30 UTC. (Fonte modificada - cores inver- tidas e edição: Pereira, E., espectrômetro do SDRZero Pardinho-SP, 2008). 54

21 Taxa de chegada de elétrons entre os dias 22/10/2008 e 10/11/2008, o cír- culo que marca o dia 04/11/2008 mostra que o satélite estava fora do ar. (Fonte modificada: NASA, 2008........................ 55

22 Suposto Black-out total na faixa de 7,00 MHz em 0h00min UTC 08/11/2008. (Fonte Modificada: Pereira, E. - SDRZero, 2008)............... 57

23 Suposto retorno da propagação em 7,00 MHz. Em 01h20min UTC 08/11/2008. (Fonte modificada: Pereira, E.; 2008)..................... 58

24 Grupo Eletricidade Atmosférica (ELAT INPE). Losangos brancos : Loca- lização das estações de sensoriamento de descargas atmosféricas. (Fonte modificada ELAT, 2007)............................. 59

25 Descargas atmosféricas e RX de 10 a 13/05/2009, 06 a 09/07/2009 e 15 a 18/07/2009. (Fontes modificadas: INPE- ELAT - Mapas do Brasil e descar- gas atmosféricas, 2009; NASA: Índices de RX captados pelos sensores dos satélites GOES, 2009)............................. 60

39 Fluxo RX 22/07/2009.(Fonte modificada: NASA, 2009)............ 71

40 Descargas atmosféricas de 12/05/2009 a 06/08/2009. Os círculos verme- lhos mostram o epicentro da AMAS. Os verdes, ocorrências de descargas atmosféricas.(Fonte modificada: ELAT-INPE)................. 79

41 Descargas atmosféricas de 07/08/2009 a 05/10/2009. Os círculos vermel- hos mostram o epicentro da AMAS. Os verdes, ocorrências de descargas atmosféricas. (Fonte modificada: ELAT-INPE)................. 80

42 Descargas atmosféricas de 11/10/2009 a 01/02/2010. Os círculos vermel- hos mostram o epicentro da AMAS. Os verdes, ocorrências de descargas atmosféricas. (Fonte modificada: ELAT-INPE)................. 81

43 Descargas atmosféricas de 04/02/2010 a 23/05/2010. Os círculos vermel- hos mostram o epicentro da AMAS. Os verdes, ocorrências de descargas atmosféricas. (Fonte modificada: ELAT-INPE)................. 82

44 CONDIÇÕES DE CONTORNO - 1972/07 - AFCRL - Air Force - Cambridge - Research - Laboratories - Mass - USA. Valores para a Anomalia Magnética Brasileira. Retirada do artigo: Partículas Presas na Região da Anomalia Brasileira COUTINHO, E.F............................ 84

45 Valores BM para a Anomalia Magnética Brasileira (AMAS) - 1972/07 - AFCRL

• Air Force - Cambridge - Research - Laboratories - Mass - USA. Valores para a Anomalia Magnética Brasileira. Retirada do artigo: Partículas Presas na Região da Anomalia Brasileira COUTINHO, E.F................ 85

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO

Dentre os inúmeros movimentos intrínsecos ao planeta Terra, os de rotação e translação são os mais fáceis e intuitivos em sua observação. Em conjunto com o Sol, estes movimentos constituem provavelmente os principais mecanismos de manutenção da vida terrestre. Há que se atentar, no entanto, para a existência de outra sorte de movimen- tos, intrínsecos à dinâmica terrestre, mas que não são facilmente observáveis. Estes, por sua vez, se devem à natureza fluida das partes interiores do planeta. É sabido que a temperatura das camadas interiores da Terra é alta. Os valores chegam a ponto de manter fundidos os elementos que nela figuram. Elementos tais como Ferro, Cobre, Níquel, dentre outros, ricos em elétrons desemparelhados, movimentam-se nestas camadas devido a gradientes de temperatura. Desta forma, a superposição dos movimentos de rotação, translação e os movimentos da massa fluida no interior do pla- neta, acaba por gerar um campo magnético intrínseco à Terra. Este complexo mecanismo é o chamado “Dínamo Terrestre” [1]. A natureza magnética do campo requer que as linhas que o definem sejam fecha- das, i.e. que comecem e terminem em pontos bem definidos. Em função disto, existem dois pólos magnéticos, a saber: Norte e Sul. Desta forma, as linhas de campo magnético circundam a Terra transformando-a num ímã de dimensões colossais [2]. Em 1958 James Van Allen, ao estudar a parte mais externa do campo magnético terrestre, denominada de magnetosfera, observou uma região em que o campo em questão aprisiona uma grande parte das partículas provenientes do Cosmos e do Sol. Na con- tinuidade das pesquisas, foi descoberto que o mesmo mecanismo que aprisionava as partículas, acabava por formar uma espécie de “escudo protetor” contra partículas car- regadas de alta energia. Este escudo, na verdade, não se tratava de um somente, mas dois, distanciados entre si por muitos quilômetros [3]. Para estas duas regiões especiais do Espaço Interplanetário, em homenagem ao seu descobridor, foi dado o nome de “Cin- turões de Radiação de Van Allen”. Estes foram definidos como zonas da magnetosfera terrestre, uma interna e outra externa, onde se concentram muitas partículas carregadas, cujo formato é toroidal e envolve a Terra. O mais interno se situa entre mil e cinco mil quilômetros de distância da superfície do planeta, o externo está localizado entre quinze mil e trinta mil quilômetros de altitude [4]. A nave espacial soviética Sputnik V, lançada a 19 de agosto de 1960, ao sobrevoar

a região costeira sul brasileira, registrou anomalamente altas taxas de radiações na altitude de trezentos quilômetros. Posteriormente, os cientistas soviéticos Nesterov e Vernov, por meio de instrumentos embarcados nas naves Cosmos 4, 7, 9 e 15, investigaram a região e constataram que os altos valores encontrados eram causados pela baixa altitude do Cin- turão Interno de Van Allen [5]. Desde a descoberta dos cinturões e das medições da radiação, se observou que a causa das altas taxas era uma anômala redução dos valores de intensidade de campo magnético. Ou seja, os valores eram muito menores do que os esperados para a latitude sul, em comparação aos campos medidos na mesma latitude norte. Até a descoberta dos cinturões de radiação e das constatações dos cientistas russos, os antigos e modernos navegadores já haviam mapeado o campo magnético terrestre. Foram observadas e mar- cadas nos mapas muitas variações das linhas de navegação magnéticas (Linhas Isogôni- cas) em todo o planeta. Os navegadores deveriam ter especial atenção nestas regiões onde o campo mag- nético parecia ser anômalo, pois caso contrário os erros poderiam causar sérios problemas de navegabilidade e rotas. Dentre as anomalias magnéticas constatadas nas cartas de navegação, uma em especial, situada no sul do Oceano Atlântico, entre a costa Oeste da África do Sul e Leste da América do Sul, era a que apresentava a maior variabilidade de intensidade e direção. Com o avançar dos estudos e mapeamentos, a região foi chamada de “Região da Anomalia Magnética do Atlântico Sul”, ou simplesmente Anomalia Magnética do Atlântico Sul, AMAS ou SAMA (do inglês, South Atlantic Magnetic Anomaly) [6]. A AMAS pode ser definida como uma região especial, pois a intensidade do campo magnético é muito menor, e a penetração das partículas energéticas, é muito maior do que em qualquer outra parte de toda a Terra. Os valores do campo magnético nas proximidades do epicentro, a cem quilômetros de altitude, são em torno de 0,25 G, muito abaixo do es- perado. Hartmann, em 2005, estudou as coordenadas históricas de navegação a partir de

1550. Ele mostrou o comportamento do campo magnético da Terra. Barraclough, 1974, elaborou modelos a partir de dados de 1600 até 1910, em seus estudos verificou que o limite sul da região tem permanecido praticamente constante, enquanto uma expansão em longo prazo tem sido medida para Noroeste, Norte, Nordeste e L este. Por isso, tal inten- sidade de campo magnético, permite que as reflexões magnéticas de partículas presas,

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Na ausência de vento solar, os processos físicos que ocorrem muito acima da superfície, na parte superior da atmosfera tênue e na ionosfera, seriam menos notáveis.

2.1 PREÂMBULO DA FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA E REVISÃO DA LITE-

RATURA

Na alta atmosfera, nas regiões limítrofes, existe um contínuo fluxo supersônico de gás ionizado, ou plasma do Sol, que limita e distorce o campo magnético terrestre em uma cavidade semelhante a uma cauda extensa, que lembra um cometa. Sobre o sul do Brasil, o campo magnético da Terra é mais fraco, isto, dependendo das condições de clima solar, possibilita um contato entre as partículas do cinturão interno de Van Allen e a alta atmosfera. Ocorre uma transferência de energia na região que é modulada pela atividade solar. Tal efeito reflete nas variações iônicas e energérticas da alta atmosfera [9].

2.2 O CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA

A hipótese do “Dínamo Geomagnético” supõe que no núcleo externo da Terra as interações geológicas do magma, composto basicamente de Níquel e Ferro, têm dois movimentos. O primeiro é provocado pelo gradiente de temperatura existente na camada do núcleo externo. A massa líquida, mais quente e menos densa nas regiões inferiores, sofre convecção. Sobe e se resfria ao chegar próximo a crosta. A densidade aumenta e há um mergulho do material. Ocorrendo assim processos cíclicos de baixo para cima e vice-versa [10]. O segundo movimento consiste na existência de uma aceleração relativa das massas líquidas num sistema em rotação. Esta, é sempre perpendicular ao eixo de giro do sistema e à velocidade da massa líquida, tem ênfase horizontal e é chamada “Força de Coriolis”[11]. O sistema de movimentos no manto terrestre compõe um conjunto de cor- rentes térmicas no meio níquel-ferro em estado de fusão. Movimentações combinadas, su- postamente geram o Campo Magnético, ou seja, a convecção e Forças de Coriolis causam fortes movimentações próximas à crosta, gerando corrente elétrica, formando um dínamo auto-excitado, figura 1 [12].

Figura 1: Mapa do campo radial da interface manto-núcleo para 2005. (Fonte: Hartmann,

O campo principal pode ser resultante das correntes que fluem no núcleo metálico, cujo raio é aproximadamente a metade do raio do Planeta. No Paleomagnetismo, observa- se que a distribuição e a intensidade das correntes que fluem no núcleo, podem ter variado com o passar do tempo. Existem indícios de que a oscilação influenciou fortemente a inversão do campo magnético em intervalos de cem milhões a dez milhões de anos. A configuração das correntes internas é tal, que o campo magnético gerado é um dipolo. As correntes parasitas próximas à crosta e o manto geram irregularidades no campo mag- nético que são percebidas na superfície. A estas se dá o nome de “anomalias do campo magnético” e têm uma deriva para oeste. Isto indica que existe um movimento diferen- cial entre a crosta e o núcleo da Terra. [7, 11]. Entre as anomalias do campo magnético da Terra, a AMAS tem maior extensão e pode ser responsável pelos mais diversos fenô- menos. Dentre estes, a chegada de partículas carregadas à alta atmosfera, podem gerar forte eletrização, esta supostamente poderia ser responsável por um índice anômalo de descargas atmosféricas, comparado a outras regiões [2, 12]. O epicentro da AMAS tem uma forma aproximadamente elipsoidal com raio en-