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A Camada Ionosférica F3

Para que se possa descrever os fenômenos relativos à propagação, em primeiro lugar deve-se ter um conhecimento básico da Atmosfera e Ionosfera.

A atmosfera, por assim dizer, é uma fina camada que envolve alguns planetas. Ela é basicamente composta por gases e poeira, estes são retidos pela ação da força da gravidade. Devido fato desta atuar com diferentes intensidades à medida em que ''mergulhamos'', ocorrem diversos fenômenos físicos conforme a ''profundidade'', estes variam em intensidade, concentração e distribuição dos gases, que formam verdadeiras ''camadas''.

Uma vez que temos a atmosfera dividida em regiões,ou camadas, estas podem ser definidas pela temperatura,  distribuição dos seus constituintes, etc. Em termos de temperatura, temos quatro camadas. A mais próxima à superfície, é a troposfera, vai até 15 km. Entre 15 km e 50 km está a estratosfera, nesta a temperatura aumenta com a altura. Em seguida vem a mesosfera, entre 50 km e 80 km, cuja temperatura decresce com a altura. Em seguida temos a termosfera, nesta a temperatura cresce com a altura até atingir um pico, ou temperatura exosférica. A distribuição das regiões varia conforme posição geográfica e hora local. Entre duas camadas existem as chamadas pausas (tropopausa, estratopausa, mesopausa), cujo gradiente de temperatura é nulo.  

Assim, tendo-se em conta a ''espessura'' da atmosfera em relação ao raio da Terra (cerca de 6000 km), podemos basicamente definir atmosfera, como sendo uma fina camada de gases sem cheiro, sem cor e sem gosto, presa ao planeta pela força da gravidade. Este, visto do espaço assemelha-se a uma esfera de coloração azul brilhante. O efeito cromático é produzido pela dispersão da luz solar sobre os gases atmosféricos. 

Outros planetas também possuem atmosfera, porém, é a da Terra que nos interessa neste momento.

A composição da atmosfera (Barry e Chorley, 1976 ), quando seca e abaixo de 25 km é:

Nitrogênio (N2) 78,08 %, este atua como suporte dos demais componentes, de vital importância para os seres vivos, fixado no solo pela ação de bactérias e outros microrganismos, é absorvido pelas plantas, na forma de proteínas vegetais;

Oxigênio (O2) 20,94 % do volume da atmosfera, sua estrutura molecular varia conforme a altitude em relação ao solo, é responsável pelos processos respiratórios dos seres vivos;

Argônio 0,93 %;

Dióxido de carbono (CO2) (variável) 0,035 %;

Hélio (He) 0,0018 %;

Ozônio (O3) 0,00006 %;

Hidrogênio (H2) 0,00005 %;

Criptônio(BR) indícios;

Metano (CH4) indícios;

Xenônio(Xe) Indícios;

Radônio(Rn) indícios.

Outro conhecimento que se deve ter para entender as características da atmosfera, é a influência do Sol nos fenômenos de ionização, pois esta depende da estação do ano, do ciclo solar, do horário e outros fatores.

A observação solar em todos os comprimentos de onda pode ser considerada de fundamental importância e é o primeiro passo em direção ao Espaço. O Sol é, e sempre será, laboratório para a obtenção “in situ” dos dados necessários para a elaboração das teorias necessárias ao entendimento dos processos, fenômenos e suas causas na alta atmosfera, bem como ao nível do solo. A atividade solar causa diversas alterações na atmosfera, (variabilidade climática, as tempestades, as variações ionosféricas, geomagnéticas, além da modulação dos raios cósmicos entre outros efeitos). 

A conexão Terra-Sol, tem uma interação estreita e complexa. No caso das alterações e fenômenos das camadas ionosféricas e seus efeitos, o nascer do Sol e os minutos que se seguem são de fundamental importância no entendimento de toda a dinâmica ionosférica.

Acima de 60 km, na termosfera, está a ionosfera, nesta, a interação com a radiação solar e raios cósmicos ionizantes geram o plasma ionosférico, neste existe alta densidade de elétrons, íons positivos e negativos. Assim, a propagação de ondas de rádio é determinada por aquela região que pode atuar como um guia de onda com a superfície terrestre, refletindo sucessivamente os sinais. (Appleton, Tuve, Hulburt, e Chapman. Kirchhoff).

A formação da ionosfera da Terra, se dá pela ação de fontes ionizantes solares e cósmicas. A ionização primária, provém da radiação solar energética na faixa do extremo ultra violeta (EUV) e raios X. Os prótons e partículas alfa, geram a ionização secundária que é determinada principalmente na ionosfera noturna. A radiação solar é absorvida pelos constituintes atmosféricos, assim, sua intensidade diminui gradativamente à medida em que se aproxima do solo. Os Raios X e EUV, são fótons altamente energéticos, capazes de remover elétrons externos dos átomos e moléculas neutras, pois, num átomo neutro, transferem energia para um de seus elétrons que se torna um “fotoelétron” suficientemente energético para se separar, assim, é gerado um íon positivo. Devidas sucessivas colisões com íons, moléculas neutras e outros elétrons, o fotoelétron perde energia, entrando assim em equilíbrio térmico e contribuindo para o aquecimento do plasma ionosférico. A este processo se dá o nome de fotoionização, esta atinge um pico ao meio-dia local. A redução da ionização na região acima de 75 km resulta no processo de recombinação iônica, onde íons formam novamente átomos neutros. Na região inferior da ionosfera, o processo de perda eletrônica é dominante, partículas neutras se juntam a elétrons e formam íons negativos. Este é o motivo da maior concentração de íons negativos na base da ionosfera. Após o anoitecer, o plasma torna-se fracamente ionizado, os processos de perda iônica não eliminam totalmente a ionização secundária, contribuindo assim para a manutenção noturna da ionosfera. Na altitude de 60 km, a ionização é produzida por raios cósmicos, que são mais penetrantes. Em altitudes maiores, íons moleculares tendem a desaparecer havendo assim predominância dos íons atômicos, a perda eletrônica depende linearmente da concentração de elétrons. Em  regiões inferiores, a perda eletrônica é predominantemente quadrática. A transição entre ambas se dá na altitude de 180 até 200 km. O pico da densidade eletrônica é na altitude aproximada de 300. A camada F1 caracteriza-se por um pequeno pico, ou inflexão, na curva de densidade eletrônica em torno de 180 km. É nessa região que ocorre a transição entre os processos de perda iônica quadrática e linear.

O campo elétrico leste-oeste, juntamente ao campo magnético norte-sul, à medida em que a Terra gira, e o lado diurno se aproxima, eleva o pico de ionização em altitude em todo o planeta. Porém, para efeito de estudo da camada F3, nos interessa a ação da energia solar sobre a região equatorial. 

Assim ao nascer do Sol, ficam propiciadas as condições para o surgimento das camadas iônicas, F1 F2, e da camada iônica chamada ''por enquanto'' de ''G''. 

O plasma ionosférico ''energizado'' pela radiação solar, causa uma elevação em altitude da camada F2, e esta não perde as suas características, seu pico de ionização pode exceder em densidade de concentração máxima durante determinado tempo.  

A inclinação magnética, a atividade solar e a sazonalidade, nos solstícios de dezembro e junho, e no verão em geral, a força eletromagnética, os ventos termosféricos e o campo magnético norte-sul, associado ao campo elétrico leste-oeste diurno, empurram o plasma ionosférico para cima na região do equador.  Favorecem assim, a ''subida'' de F2 e a formação de uma camada de ionizada entre a F2 que se elevou e F1, fenômeno este que tem ocorrido mais freqüentemente em períodos de baixa atividade solar

A camada F2 ao subir, poderia ser chamada de camada ''G'', porém os processos físico-químicos da região F, e estudos realizados por Batista et al. 2002, mostram que a dinâmica da camada F permanece. Assim a camada que subiu pode ser dita F3 e a que se formou logo abaixo, F2.  

A camada F3 pode ser dividida em dois tipos, dependendo da época, ou seja, tipo 1, mais comum nos meses de verão, e do tipo 2  nos meses de inverno. A esta dinâmica de formação de F3 se dá o nome de Anomalia Equatorial. A camada adicional, depois de sua ocorrência, continua a existir por mais de 10 horas próximo ao equador (Balan et al., 1997). 

O pico da camada F2 localiza-se aproximadamente entre 250 até 300 km. Esta é dominada por processos dinâmicos com interação entre os ventos termosféricos e a ionosfera superior. Existe grande predominância da atuação do campo magnético que influencia na distribuição de ionização. Desta forma, no topo de F2, o plasma se encontra em equilíbrio difusivo. Até 500 km de altura, o oxigênio atômico O+ é predominante, a distribuição da densidade eletrônica se dá também através da difusão, e outros processos de transporte, além da ionização e da recombinação. As forças colisionais, gravitacionais, forças elétricas e magnéticas  representam os principais processos de transportes energéticos na Ionosfera. Os agentes que deslocam íons e elétrons são os campos elétricos, ventos neutros e difusão. Os campos elétricos, na alta ionosfera, movimentam íons e elétrons como um todo, à velocidade de deriva do plasma. O resultado desse movimento depende da freqüência de colisão e do campo magnético, estes determinam a condutividade e a  mobilidade do plasma ionosférico. Na alta ionosfera é predominante a ação de ventos termosféricos induzidos pelo aquecimento diurno e esfriamento da atmosfera noturna (Risbeth and Garriott,1969), cuja mudança térmica afeta as partículas carregadas e o vento neutro. Assim, o plasma expande e contrai conforme o gradiente térmico da atmosfera. Os gradientes horizontais de pressão são resultado da expansão térmica da atmosfera terrestre durante o dia, os ventos termosféricos, circulam na ionosfera e interagem com o plasma podendo transporta-la para cima durante a noite. Sua velocidade é reduzida no lado diurno pelo arrasto iônico. Este resulta da interação entre as partículas carregadas e as partículas neutras. O processo de transporte ocorre na direção da componente do vento neutro ao longo das linhas de campo magnético, produz o transporte da ionização de um hemisfério para outro. A ionização assim, é deslocada para cima no hemisfério noturno, onde o vento é dirigido para o equador, e para baixo no hemisfério diurno, em que o vento é dirigido para os pólos. A camada F está entre 150 e 1000 km de altitude, durante o dia se dispõe em duas camadas F1 e F2, em baixas latitudes, move-se para cima devida deriva ExB decorrente do campo elétrico leste-oeste induzido pelo dínamo da região E, na presença do campo magnético. Perto do Equador, as linhas de campo magnético encontram-se fechadas impedindo que o plasma escape para o espaço facilmente, que se difunde ao longo das linhas de campo e afeta a distribuição latitudinal da ionização. Assim, na região do Equador, observa-se que a maior densidade eletrônica não se encontra sobre o equador, mas a cerca de aproximadamente 170° de latitude, formando assim, um pico ao norte e outro ao sul do equador magnético (Balan et al., 1997).

O campo elétrico diurno se dirige para o leste, o campo magnético norte-sul é praticamente paralelo à superfície terrestre na região equatorial. Assim, produz uma deriva vertical acaba por forçar o plasma para cima que difunde-se para baixo ao longo das linhas de campo devida gravidade e gradientes de pressão. Após o amanhecer, com o avançar da hora, a camada F2 aumenta sua densidade, há grande produção iônica e os efeitos dinâmicos presentes na região fazem aumentar a altitude do pico da camada rapidamente, pois esta é dominada pelo efeito de deriva ascendente ExB. Este causa a concentração da densidade eletrônica na latitude de  ±17°. Forma-se assim a chamada Anomalia Equatorial. O vento neutro e a deriva ExB geram a formação de uma camada adicional em latitudes equatoriais numa altitude de 500 km e 700 km, chamada camada F3 (Jenkins et al., 1997). O pico de ionização da camada F2 se desloca para maiores altitudes pelos efeitos dinâmicos. Ao mesmo tempo, outro pico se forma na altura original da camada F2, e o pico que se desloca para cima forma a camada F3. Quando a ionosfera ganha energia suficiente, o pico de densidade eletrônica de F3 decresce devidos efeitos químicos e dinâmicos. Os efeitos de aparecimento e desaparecimento da camada adicional podem ser percebidos pelo tempo de resposta entre a transmissão e recepção de sinais de rádio, que têm incrementada a reflexão e alcance à medida em que a camada sobe.

Bibliografia

Balan, N.; Bailey, G.J.; Abdu, M. A.; Oyama, K. I.; Richards, P. G.; MacDougall, J.; Batista, I. S. Equatorial plasma fountain and its effects over three location: evidence for additional layer, the F3 layer. J. Geophys. Res., v. 102, n. A2, p. 2047-2056, 1997.

Batista, I. S.; Abdu, M. A.; MacDougall, J.; Souza, J. R. Long term trends in the frequency of occurrence of the F3 layer over Fortaleza, Brazil. J Atmos.Terr. Phys., v. 64, n.12, p. 1409-1412, 2002.

Neste resumo descrevo sucintamente a existência da camada iônica F3 e a sua formação. Deve-se notar que esta camada iônica, embora pouco conhecida, também tem fundamental importância nas comunicações de rádio.

Boa leitura.

Ângelo Antônio Leithold PY5AAL


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