Universidade do Vale do Paraíba Instituto de Pesquisa e ... · Francisco vieira. Estudo da resposta ionosférica tropical ao ... Prof. Dr. Márcio Tadeu de Assis Honorato Muella

Universidade do Vale do Paraba

Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento

Programa de Ps-Graduao em Astronomia e Fsica

FRANCISCO VIEIRA

ESTUDO DA RESPOSTA IONOSFRICA TROPICAL AO AQUECIMENTO

ESTRATOSFRICO SBITO (SSW) POLAR, UTILIZANDO DADOS DE

CONTEDO ELETRNICO TOTAL

So Jos dos Campos, SP

2015

FRANCISCO VIEIRA



CONTEDO ELETRNICO TOTAL.

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-

Graduao em Fsica e Astronomia da

Universidade do Vale do Paraba, como

complementao dos crditos necessrios para

obteno do ttulo de Mestre em Astronomia e

Fsica.

Orientador: Prof. Dr. Paulo Roberto Fagundes

So Jos dos Campos, SP

2015

Francisco vieira.

Estudo da resposta ionosfrica tropical ao

Aquecimento Estratosfrico Sbito (SSW) polar,

utilizando dados de contedo eletrnico total.

Dissertao apresentada ao Programa de Ps-Graduao

em Astronomia e Fsica do Instituto de Pesquisa e

Desenvolvimento da Universidade do Vale do Paraba, 2015.

1. Ionosfera 2. SSW 3.Sistema de Posicionamento Global 4.

Contedo Eletrnico Total 5 I. Orientador Paulo Roberto Fagundes.

Autorizo para fins acadmicos e cientficos, a reproduo total ou parcial desta

dissertao, por processos fotocopiadores ou transmisso eletrnica, desde que citada a

fonte.

Assinatura da Aluno:

Data da defesa: ___/ ___/ ___

FRANCISCO VIEIRA




Dissertao de Mestrado aprovada como requisito parcial obteno do grau de Mestre

em Fsica e Astronomia, do Programa de Ps-Graduao em Fsica e Astronomia, do

Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento da Universidade do Vale do Paraba, So Jos

dos Campos, SP, pela seguinte banca examinadora:

Prof. Dr. Paulo Roberto Fagundes (UNIVAP) ____________________________

Prof. Dr. Valdir Gil Pillat (UNIVAP) ____________________________

Prof. Dr. Mrcio Tadeu de Assis Honorato Muella

(UNIVAP)______________________

Prof. Dr. Clezio Marcos De Nardin (INPE) ______________________________

Prof. Dr. Sandra Maria Fonseca da Costa

Diretora do IP&D - Univap

So Jos dos Campos,____ de ____ de 2015.

DEDICATRIA

Aos meus pais,

Maria da Conceio Vieira e Jos Rodrigues

e minha esposa Ediane Bispo da Silva.

AGRADECIMENTOS

A Deus.

Qualquer trabalho de pesquisa o resultado da colaborao de vrias

pessoas. Meu obrigado vai:

Aos professores que contriburam com este trabalho,

Agradeo especialmente ao meu orientador Prof. Dr. Paulo Roberto

Fagundes por confiar em minha pesquisa, por sua orientao objetiva e detalhada e por

seu apoio fundamental na trajetria desta Dissertao.

De forma respeitosa e carinhosa, expresso aqui minha gratido e minha

admirao a todos supracitados.

Universidade do Vale do Paraba, UNIVAP, por ter me permitido

ingressar no programa de mestrado em Fsica e Astronomia.

Ao Dr. Venkatesh Kavutarapu pelas suas valiosas contribuies no

desenvolvimento deste trabalho.

E tambm aos meus colegas de curso e a todos aqueles que contriburam de

forma direta ou indiretamente para realizao desta pesquisa.




RESUMO

O evento de aquecimento estratosfrico sbito (SSW) caracterizado por um rpido

aumento da temperatura polar estratosfrico. O evento ocorre durante o inverno no

hemisfrio norte e com pouca frequncia no hemisfrio sul. Esta pesquisa tem como

objetivo estudar a resposta ionosfrica em baixas latitudes e regio equatorial no setor

brasileiro durante o evento de aquecimento estratosfrico sbito (SSW- Sudden

Stratospheric Warming), que ocorreu durante o perodo entre dezembro 2011 e maro

de 2012. Nesse sentido, o SSW caracterizado pelas variaes de temperaturas

estratosfricas no hemisfrio norte com valores entorno de 245 K e 235 K para latitudes

de 90N e entre 60N e 90N, respectivamente, para um nvel de presso de 10 hPa (~30

km). Nesta pesquisa foram analisadas 72 estaes de GPS da Rede Brasileira de

Monitoramento Contnuo (RBMC) com uma ampla extenso latitudinal (2,8N - 30,1S)

e longitudinal (35,2W 67,8W), no setor brasileiro. Neste estudo o comportamento da

ionosfera investigado utilizando TEC, inferidos a partir de dados de GPS. Durante o

perodo em que houve o SSW notou-se que houve uma reduo do TEC em todo o

territrio brasileiro, durante vrios dias e consequentemente a Anomalia de Ionizao

Equatorial (EIA) foi drasticamente inibida. Este estudo mostra a importncia de se

estudar o acoplamento vertical entre as vrias camadas da atmosfera terrestre e o

acoplamento atmosfrico inter-hemisfrico.

Palavras Chaves: GPS, SSW, Ionosfera, TEC.

STUDY OF THE IONOSPHERE RESPONSE TROPICAL TO THE SUDDEN

ESTRATOSPHERE WARMING (SSW) POLAR, USING DATA OF TOTAL

ELETRONIC CONTENT.

ABSTRACT

The event from Sudden Stratospheric Warming (SSW) is featured by a fast increase of

the temperature polar stratospheric. The event occurred during the winter in the northern

hemisphere and with little frequency in the south hemisphere. This research have as

aims to study the reply ionospheric at low latitude and the equatorial region in the sector

Brazilian during the event from Sudden Stratospheric Warming (SSW) that occurred

during the period between december of 2011 and march of 2012. In this sense, the SSW

is characterized by the variations of stratospheric temperature northern hemisphere with

maximum values around of 245 K and 235 K for latitude of 90N and latitude that are

between 60N and 90N, respectively, pressure level of 10 hPa (~30 km). In this

research were analyzed 72 Brazilian Network of GPS station for Continuous Monitoring

(RBMC) with a broad range latitudinal (2,8N-30,1S) and longitudinal (35,2W-

67,8W), the Brazilian sector. In this study, the ionosphere behavior is investigated

using TEC, inferred from GPS data. During the period in which the SSW was noted that

there was a decrease in the TEC in all Brazilian territory for several days and hence the

Equatorial Ionization Anomaly (EIA) was dramatically inhibited. This study shows the

importance of studying the upright coupling between the several layers of the

atmosphere and the inter-hemispheric atmospheric coupling.

Key Words: Ionosphere, Positioning, GPS e SSW

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Variao da temperatura mdia da atmosfera em funo da altura e as

camadas atmosfricas ..................................................................................................... 22

Figura 2. Perfis da densidade eletrnica para a atividade solar mxima e mnima,

durante o dia e a noite ..................................................................................................... 25

Figura 3. Processo de fotoionizao .............................................................................. 27

Figura 4. A diferena entre a quantidade de camadas ionosfricas durante o dia e noite

........................................................................................................................................ 29

Figura 5. Mostra distribuio mdia de eltrons durante o dia com os principais ons

para as camadas ionosfricas .......................................................................................... 33

Figura 6. Efeito fonte sobre o equador geomagntico devido deriva do plasma

ionosfrico ...................................................................................................................... 34

Figura 7. Formao da EIA em funo do Dip. Latitude e da altura em ambos os

hemisfrios sul e norte do equador magntico ............................................................... 35

Figura 8. Representao do vrtice polar ...................................................................... 36

Figura 9. Variao da temperatura na estratosfera polar durante um ano. A linha preta

indica a mdia histrica, a banda cinza +/- desvio padro e a linha vermelha a variao

da temperatura em 10 hPa (2011-2012) ......................................................................... 38

Figura 10. Variao da velocidade do vento durante um ano. A linha preta indica a

mdia histrica, a banda cinza +/- desvio padro, a linha vermelha a variao da

velocidade do vento zonal e linha vinho horizontal demarca a inverso da velocidade do

vento em 10 hPa (2011-2012) ........................................................................................ 39

Figura 11. (a) A temperatura em 90 N e nvel de presso atmosfrica 10 hPa

representada pela linha vermelha. (b) A mdia zonal do vento zonal a 60 N e 10 hPa

durante o inverno de 2012 a 2013 .................................................................................. 40

Figura 12. Mostra a deriva vertical do plasma sobre Jicamarca .................................... 46

Figura 13. Dados obtidos de uma rede global de receptores de GPS do TEC no ms de

janeiro de 2009 ............................................................................................................... 47

Figura 14. Constelao dos satlites de GPS ................................................................ 50

Figura 15. Mapa com as localizaes da estao central e das estaes de

monitoramento GPS .................................................................................................... 51

Figura 16. Principais componentes de um receptor....................................................... 52

Figura 17. Ilustrao para obter o posicionamento bsico com GPS ............................ 53

Figura 18. Organizao estrutural do sinal de GPS ....................................................... 54

Figura 19. Mostra a interpretao geomtrica da fase portadora .................................. 59

Figura 20. TEC correspondente ao intervalo de tempo para os sinais enviados ao

receptor na Terra ............................................................................................................. 62

Figura 21. rea rachurada do grfico correspondendo o TEC ao longo do caminho

entre o satlite e o receptor. ............................................................................................ 65

Figura 22. Mostra a geometria para o atraso do caminho ionosfrico ........................... 69

Figura 23. Janela com as opes de parmetros estratosfricos disponveis para o

usurio. .......................................................................................................................... 72

Figura 24. Exemplo de arquivo de sada fornecido pelo site da NASA. ....................... 73

Figura 25. Mapa da Amrica do Sul indicando localizao das estaes de GPS da

rede RBMC-IBGE. Os cones vermelhos, laranjas e verdes referem-se s regies

equatoriais, baixas latitudes e alm do pico da EIA, respectivamente. .......................... 74

Figura 26. Variao diria do VTEC em funo do dia do ano (01/12/2011 a

30/03/2012) e UT na estao de Braslia. As linhas slidas branca e preta indicam a

variao da temperatura na regio Polar (90N) e a temperatura mdia em altas latitudes

(90N-60N) a uma altura de 10 hPa (~32km), respectivamente. As regies pretas do

TEC indicam ausncia de dados. .................................................................................... 78

Figura 27. (a) Comparao entre a variao da mdia diria do VTEC ( +/- 1) e os 6

dias que antecederam o mximo da temperatura estratosfrica. A linha preta e banda

cinza escura indicam a mdia () e o desvio () padro, respectivamente. A linha

vermelha indica a variao diria do VTEC durante o mximo de temperatura do SSW.

(b) O mesmo que (a), mas para os 6 dias posteriores ao mximo da temperatura do

SSW. ............................................................................................................................... 79

Figura 28. O mesmo que a Figura 26, mas para as estaes de So Gabriel (SAGC) e

Boa Vista (BOVI). .......................................................................................................... 80

Figura 29 (a) O mesmo que a Figura 27, mas para as estaes de Boa Vista. (b) O

mesmo que a Figura 27, mas para a estao de So Gabriel. ......................................... 81

Figura 30. O mesmo que a Figura 26, mas para as estaes de So Lus (SALU), Ji-

Paran (JIPA), Altamira (ALTA), Porto Velho (POVE), Imperatriz (IMPE), Macap

(MACA), Belm (BELE) e Guajar-Mirim (GUAM).................................................... 82

Figura 31. (a) O mesmo que a Figura 27, mas para as estaes de Imperatriz. (b) O

mesmo que a Figura 27, mas para a estao de So Lus. (c) O mesmo que a Figura 27

mas para as estaes de Ji-Paran. (d) O mesmo que a Figura 27, mas para as estaes

de Guaramirim. ............................................................................................................... 84

Figura 32. O mesmo que a Figura 26, mas para as estaes de Bom Jesus da Lapa

(BOMJ), Teresina (TERE), Salvador Incra (SALI), Irec (IREC), Fortaleza (FORT),

Campina Grande (CAGR), Crato (CRAT) e Teixeira de Freitas (TEFT). ..................... 86

Figura 33. O mesmo que a Figura 26, mas para as estaes de Uberlndia-Cemig

(UBEC), Maring (MARI), Presidente Prudente (PREP), Campo Grande (CAMG),

Canarana (CANR) Cuiab (CUIB), Sorriso (SORR) e Belo Horizonte (BELH). .......... 87

Figura 34. (a) O mesmo que a Figura 27, mas para as estaes de Teresina (TERE). (b)

O mesmo que a Figura 27, mas para a estao de Campina Grande (CAGR). (c) O

mesmo que a Figura 27, mas para as estaes de Presidente Prudente (PREP). (d) O

mesmo que a Figura 27, mas para as estaes de Cuiab (CUIB). ................................ 89

Figura 35. O mesmo que a Figura 26, mas para as estaes de Porto Alegre (PORT),

Imbituba (IMBI), Campo dos Goytacazes (CAMG), Rio de Janeiro IBGE (RIIR),

Vitria (VITO), Santa Maria (SANM), Rio de Janeiro-ON (RION) e Lages (LAGE). . 91

Figura 36. (a) O mesmo que a Figura 27, mas para as estaes de Imbituba (IMBI). (b)

O mesmo que a Figura 27, mas para a estao de Porto Alegre (PORT). ...................... 92

Figura 37. Mapa do continente Sul Americano indicando as coordenadas geogrficas

das estaes de GPS-TEC utilizadas no estudo da EIA. As estaes foram distribudas

latitudinalmente no setor leste (cones amarelos) e setor oeste (cones vermelhos)

brasileiro. Equador geogrfico e magntico so mostrado no mapa. ............................. 95

Figura 38. (a) Variao do VTEC, para dias calmos, em funo da latitude e UT para o

perodo de 01 a 10/12/2011, no setor leste. (b) O mesmo que (a), mas para o setor oeste.

........................................................................................................................................ 96

Figura 39. Evoluo dia-a-dia da EIA visto atravs da variao do VTEC no setor leste

entre os dias 09 a 28/01/2012 (perodo perturbado pelo SSW2012) .............................. 98

Figura 40. Evoluo dia-a-dia da EIA visto atravs da variao do VTEC no setor oeste

entre os dias 09 a 28/01/2012 (perodo perturbado pelo SSW2012) .............................. 99

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Representao das regies da ionosfera com respectivas alturas .................. 27

Tabela 2 Componentes dos sinais dos satlites ............................................................. 54

Tabela 3.Fonte e efeitos dos erros envolvidos nos GPS ................................................ 60

Tabela 4 Efeitos dos erros orbitais nas linhas de base .................................................. 61

Tabela 5. Estaes de GPS-TEC utilizada no estudo da regio equatorial (vermelho),

baixas latitudes (laranja) e alm do pico da EIA (verde). .............................................. 75

Tabela 6. Medias do VTEC calculada entre 13:00 e 22:00 UT para a mdia dos dias

calmos, dia anterior ao mximo da temperatura (17/01/2012), dia do mximo da

temperatura (18/01/2012) e dia posterior ao mximo da temperatura (19/01/2012) e suas

respectivas porcentagens. ............................................................................................... 93

Tabela 7. Cidade, Sigla, Smbolo, Latitude, Longitude e Dip. Latitude para cada

estao utilizada no estudo da EIA. Estaes de GPS-TEC utilizada no estudo da EIA

no setor leste (amarelas) e setor oeste (vermelha). ......................................................... 97

LISTA DE ABREVIATURA E SIGLAS

ARAP -- Estao de Arapiraca

ALTA -- Estao de Altamira

BAGA -- Estao Barra do Garas

BARR -- Estao de Barreiras

BELE -- Estao de Belm

BELH -- Estao de Belo Horizonte

BOAV -- Estao de Boa Vista

BOMJ -- Estao de Bom Jesus da Lapa

BRAZ -- Estao de Braslia

CAGR -- Estao de Campina Grande

CAGD -- Estao de Campo Grande

CACP -- Estao de Cachoeira Paulista

CANN -- Estao de Canania

CAMG -- Estao de Campos dos Goytacazes

CANR -- Estao de Canarana

COLI -- Estao de Colider

COLO -- Estao de Colorado dOeste

CUIB -- Estao de Cuiab

C/A -- Cdigo de fcil aquisio

CIGNET -- Cooperative International GPS Network

CRAT -- Estao de Crato

DGPS -- Diferencial GPS

DoD -- Department of Defense

Dst -- Disturbance storm time inde

EIA -- Anomalia de Ionizao Equatorial

EUV -- Extremo ultravioleta

FORT -- Estao de Fortaleza

GOVA -- Estao de Governador Valadares

GUAR -- Estao de Guarapuava

GURU -- Estao de Gurupi

GUAM -- Estao Guajar- Mirim

GPS -- Global Positioning System

GSC -- Gradual storm commencement

IAG -- International Association of Geodesy

IBGE -- Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica

IGS -- International GNSS Service

IMPZ -- Estao de Imperatriz

IMBI -- Estao de Imbituba

INPE -- Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais

IREC -- Irec

ISOL -- Estao de Ilha Solteira

JATI -- Jata

JIPA -- Ji-Paran

JPL -- Jet Propulsion Laboratory

LAGE -- Estao de Lages

LT -- Tempo local

MACA -- Estao de MacapMANA -- Estao de Manaus

MARI -- Estao de Maring

MCS Master Control Station

MONT -- Estao de Montes Claros- CODEVASF

MONC -- Estao de Montes Claro- CEMIG

MOSS -- Estao de Mossor

NATA -- Estao de Natal

NAVSTAR-GPS Navigation Satellite with time and ranging

ROSN -- Estao de Rosana

OURI -- Estao de Ourinhos

PALM -- Estao de Palmas

PARA -- Estao de Curitiba

PETR -- Estao de Petrolina

POVE -- Estao de Porto Velho

POAL -- Estao de Porto Alegre

PORT -- Estao de Porto Alegre

PREP -- Estao de Presidente Prudente

P -- Cdigo preciso

PD -- Pseudodistancia

PPS -- Servios de posicionamento preciso

PRN -- Pseudo-random- noise

RBMC -- Rede Brasileira de Monitoramento Contnuo dos sinais GPS

RION -- Estao do Rio de Janeiro- ON

RIIB -- Estao do Rio de Janeiro IBGE

RIBR -- Estao do Rio Branco

ROSN -- Estao de Rosana

ROT -- Flutuaes de fase ou taxas de variaes do TEC

SANM -- Estao de Santa Maria

SAOP -- Estao de So Paulo

SAGC -- Estao de So Gabriel da Cachoeira

SALP -- Estao de Salvador Porto

SALU -- Estao de So Lus

SALI -- Estao de Salvador INCRA

SFAR -- Estao de So Flix do Araguaia

SJRP -- Estao de So Jos do Rio Preto

SORR -- Estao de Sorriso

SRNO -- Estao So Raimundo Nonato

S/A -- Selective availability

SPS -- Servios de posicionamento padro

SSW -- Warming stratospheric sudden

TEFT -- Estao Teixeira de Freitas

TEC -- Contedo Total de Eltrons

TECU -- Unidade de Contedo Total de Eltrons

UBER -- Estao de Uberlndia- UFU

UBEC -- Estao de Uberlndia CEMIG

UHF -- Ultra High Frequency

UEPP -- Estao de Presidente Prudente

UT -- Tempo universal

UV -- Ultravioleta

VTEC -- Conteudo Total de Eltrons na vertical

VARG -- Estao de Varginha- CEMIG

VITC -- Estao de Vitria da Conquista

VITO -- Estao de Vitria

VHF -- Very high frequency

VTEC -- Vertical total electron contente

LISTA DE SIMBOLOS

Latinos

Ap -- Amplitude do cdigo P

Ac -- Amplitude do cdigo C/A

B -- Vetor campo geomagntica

c -- Velocidade da luz, 3,0x 108 m/s Ci -- Sequencia do cdigo C/A

Di -- Fluxo de dados

E -- vetor campo eltrico

f -- Frequncia nominal, Hz

fs -- Frequncia do sinal gerado no oscilador do satlite

fR -- Frequncia do sinal gerado no oscilador do receptor

f1.-- Frequncia da portadora

g -- Acelerao da gravidade terrestre, m s-2

Hm -- Altura mdia da ionosfera

hv -- Energia de fotoionizao

-- Refrao ionosfrica para a fase da onda portadora

-- Refrao ionosfrica para o grupo

k -- Constante de Boltzmann, 1,381 x 10-23

Joule . s

L1 -- Onda portadora do sinal GPS, MHz

L2 -- Onda portadora do sinal GPS, MHz m -- Massa molecular, kg

-- Efeito do multicaminhamento n -- Densidade numrica dos constituintes atmosfricos, m-3

N -- Vetor densidade eletrnica

N -- Ambiguidade na observvel fase da onda portadora

Ne -- Densidade mdia de eltrons mximos de ftons

ne -- Densidade eletrnica, el m-3

nf -- ndice de refrao para velocidade de fase

ng -- ndice de refrao para velocidade de grupo

p -- Presso atmosfrica, Kg m-2

Pi -- Sequencia do cdigo

qm -- Taxa de produo mxima de ftons R -- Antena receptora

Rm -- Raio mdio da Terra S -- Satlite

T -- Temperatura absoluta, K

t -- Tempo, s

tS -- Instante de emisso do sinal

tR -- Instante de recepo do sinal

z -- ngulo zenital do caminho do sinal sobre o ponto ionosfrico

Z1 -- Variabilidade de altitude

U -- Vento zonal

v -- velocidade mdia de derivas das partculas ionizadas

Vf -- Velocidade da fase portadora

Vg -- Velocidade da fase de grupo

-- Gradiente de presso Wi -- Criptografia sobre o cdigo

Gregos

-- Desvio do relgio do satlite -- Desvio do relgio do receptor ,2, -- Rudo da fase do estado do oscilador -- Mdia do TEC

-- Coeficiente de recombinao

-- Distancia geomtrica -- Fase da onda portadora gerada no receptor -- Fase da onda portadora gerada no satlite -- Comprimento de onda -- Os erros das medidas de pseudodistncia 1

-- Corresponde o atraso instrumental do satlite na portadora 2

-- Corresponde o atraso instrumental do receptor na portadora

fiono -- Os efeitos de atrasos provocado pela refrao da ionosfera

gtrop

-- Os efeitos de atrasos provocado pela refrao da troposfera

Smbolos Especiais

-- Operador nabla

SUMRIO

1 INTRODUO ......................................................................................................... 20

1.1 Atmosfera da Terra ................................................................................................ 20

1.2 A atmosfera terrestre em funo da variao da temperatura vertical ............ 21

1.2.1 Troposfera ............................................................................................................. 22

1.2.2 A Estratosfera ....................................................................................................... 23

1.2.3 A Mesosfera .......................................................................................................... 23

1.2.4 Termosfera ............................................................................................................ 23

1.2.5 A Exosfera ............................................................................................................. 24

1.3 Estrutura da atmosfera em funo de sua densidade eletrnica. ...................... 24

1.3.1 Processo de Ionizao........................................................................................... 26

1.3.2 Camadas da Ionosfera ......................................................................................... 27

1.4 Anomalia de Ionizao Equatorial ........................................................................ 33

1.5 Vrtice Polar ........................................................................................................... 35

1.6 O Aquecimento Estratosfrico Sbito (SSW) ...................................................... 37

1.6.1 Comportamento vertical do Aquecimento Sbito Estratosfrico ........................ 41

1.6.2 Classificao dos SSWs ........................................................................................ 41

1.6.3 Efeitos do (SSW) ................................................................................................... 43

2 INSTRUMENTAO .............................................................................................. 49

2.1 Sistemas de Posicionamento Global (GPS) .......................................................... 49

2.1.1 Segmento do GPS. ................................................................................................ 49

2.1.2 Sinais emitidos pelos Satlites de GPS. ................................................................ 52

2.1.3 Aplicaes do GPS ................................................................................................ 55

2.1.4 Observveis GPS ................................................................................................... 56

2.1.5 Fase portadora ...................................................................................................... 57

2.1.6 Erros relacionados com as observveis. .............................................................. 59

2.1.7 Alguns Efeitos que esto relacionados com a propagao do sinal de GPS ...... 60

2.1.8 Erros orbitais ........................................................................................................ 60

2.2 Refrao ionosfrica ............................................................................................... 62

2.3 Clculo do Contedo Total de eltrons com base nas observveis do GPS ...... 65

2.4 Clculo do TEC mediante Pseudodistncia ......................................................... 66

2.5 Clculo do TEC por meio da Onda Portadora .................................................... 67

2.6 Determinao do TEC vertical .............................................................................. 68

2.7 Taxa de variao do TEC (ROT) .......................................................................... 69

19

3. RESULTADOS E DISCUSSES ........................................................................... 71

3.1 As temperaturas e o vento zonal estratosfrico ................................................... 71

3.2 Estaes de GPS-TEC utilizados no estudo ......................................................... 73

3.3 Apresentao e anlise dos dados de VTEC no setor brasileiro ........................ 76

3.3.1 O VTEC em Braslia (baixa latitude) ................................................................... 77

3.3.2. O VTEC em baixas latitudes no hemisfrio norte magntico ............................ 79

3.3.3 O VTEC na regio Equatorial ............................................................................. 81

3.3.4 O TEC em baixas latitudes no hemisfrio Sul ..................................................... 85

3.3.5 Variao do TEC das estaes alm do pico da anomalia .................................. 90

3.4 Estudo da Anomalia de Ionizao Equatorial (EIA) Durante o Evento SSW .. 94

4 CONCLUSES ........................................................................................................ 101

REFERNCIAS ......................................................................................................... 103

20

1 INTRODUO

Muitos cientistas tm realizado investigaes sobre as taxas de deformao do

campo magntico da Terra pelo campo magntico do Sol, na interao Terra-Sol as

taxas de deformao da Terra, utilizando uma rede de receptores do sistema de

posicionamento global (GPS). Onde os dados recolhidos pelo GPS esto disponveis por

meio da Internet por um perodo aproximadamente de 24 horas, os quais podem ser

usados para estimar o nmero total de eltrons livres da ionosfera, ou seja, o contedo

total de eltrons (TEC) sobre qualquer rea do globo terrestre. (OTSUKA et al, 2002;

LIU et al, 2001).

As informaes sobre o TEC apresentam distores que so inerentes receptores

e transmissores do GPS. Estas distores devem ser removidas para se obter os valores

absolutos do TEC. Neste sentido, vrias tcnicas para calcular TEC absoluto utiliza o

filtro de Kalman, o qual um mtodo matemtico que consiste em estimar o estado

instantneo de um sistema dinmico linear perturbado por rudos. (MANNUCCI et al,

1998).

O presente captulo apresenta uma breve descrio da atmosfera terrestre de

acordo com seu gradiente vertical de temperatura. Descreve tambm a parte ionizada da

alta atmosfera definida ionosfera. E os processos de formao de cada camada

ionosfrica com suas principais caractersticas fsicas e qumicas. Adicionalmente, so

descritos o aquecimento sbito estratosfrico (SSW) e suas caractersticas.

O objetivo deste trabalho o estudo da resposta ionosfrica (regio F) em baixas

latitudes e regio equatorial ao aquecimento sbito estratosfrico (SSW) que ocorreu

durante o perodo entre dezembro 2011 e maro de 2012 (inverno hemisfrio norte).

Neste estudo, ser utilizado o contedo eletrnico total (TEC) para caracterizar

variaes temporal, latitudinal e longitudinal da resposta da regio F ao evento

meteorolgico SSW de grande escala que ocorreu na estratosfera polar do hemisfrio

norte. O SSW caracterizado por um aquecimento que pode ocorrer na estratosfera

polar durante os meses de inverno, em relao temperatura mdia histrica.

1.1 Atmosfera da Terra

A atmosfera terrestre uma camada de gs concntrica a superfcie da Terra, a

atmosfera pode ser subdividida em vrias camadas de acordo com a variao da

21

temperatura ou caractersticas fsicas e qumicas. Os gradientes de temperatura e presso

relacionados s faces iluminada e escura e os hemisfrios de vero e inverno da Terra

induzem movimentos de grande escala na atmosfera e perturbaes meteorolgicas

(tempestades, frentes frias etc.) induzem perturbaes de mdia e pequena escala na

atmosfera.

A atmosfera atual composta principalmente pelos gases nitrognio (N2) e

oxignio (O2), na seguinte proporo 78% e 21%, respectivamente. No entanto, a

atmosfera terrestre pode a grosso modo ser dividida entre baixa e alta atmosfera. Essa

diviso est relacionada com a variao de algumas caractersticas especficas da

atmosfera em funo da altura. As principais caractersticas so descritas.

1.2 A atmosfera terrestre em funo da variao da temperatura vertical

A atmosfera terrestre subdividida em camadas de acordo com a sua variao

vertical de temperatura, grau de ionizao e composio qumica (HERGREAVES,

1992). A cada inverso no gradiente de temperatura atmosfera recebe diferentes

nomes (veja Figura 1), essas camadas so chamadas de troposfera, estratosfera,

mesosfera, termosfera e exosfera.

A transio entre duas camadas adjacentes na Figura 1 so referidas como

pausas, tropopausa (troposfera-estratosfera), estratopausa (estratosfera-mesosfera),

mesopausa (mesosfera-termosfera).

22

Figura 1. Variao da temperatura mdia da atmosfera em funo da altura e as camadas atmosfricas.

Fonte: Aranha (2006).

1.2.1 Troposfera

a camada mais prxima da superfcie da Terra que estende da superfcie at

uma altura de 20 km no equador e de 10 km nos plos. Nessa camada concentra-se a

maior densidade atmosfrica (N2 corresponde 78% e O2 corresponde 21% dos gases da

atmosfera). O vapor de gua no o principal constituinte da troposfera, no entanto,

possui quase todo vapor de gua da atmosfera. A temperatura mdia da troposfera na

superfcie est aproximadamente a 290 K (17C) e no topo (18 km) est em 210 K (-63

C). A temperatura na troposfera decresce com a altura a uma taxa mdia de

aproximadamente 7K/km devido expanso adiabtica da atmosfera, quando aquecida

pelo calor do solo ao absorver a radiao do Sol. (KELLEY, 1989).

23

1.2.2 A Estratosfera

A estratosfera corresponde segunda camada da atmosfera terrestre, iniciando

acima da tropopausa e atinge uma altura mxima de ~50 km (MOHANAKUMAR,

2008). A temperatura na base e no topo da estratosfera de aproximadamente 215 K (-

58 C) e 270 K (-3 C).

A estratosfera a camada que possu a maior concentrao de oznio, o qual

responsvel pela absoro de uma grande parte da radiao ultravioleta (UV). Assim, o

aumento da temperatura estratosfrica devido interao da radiao ultravioleta com

as molculas de oznio. Nesta camada, alm da grande concentrao de oznio,

possvel identificar a presena de espcie qumicas como: o dixido de enxofre (SO2),

dixido de nitrognio (NO2) e aerossis.

1.2.3 A Mesosfera

A mesosfera a camada situada entre estratopausa e mesopausa, localizada

aproximadamente entre 50 e 100 km da superfcie terrestre. A temperatura na base e no

topo da mesosfera de aproximadamente 270 K (-3 C) e 185 K (-88 C). Esta camada

apresenta uma composio qumica bastante uniforme (MOHANAKUMAR, 2008).

O resfriamento na mesosfera devido emisso espontnea de ftons de

molculas de CO2. Assim, quando as molculas de CO2 passam do estado excitado para

um estado menos excitado. Outros constituintes como: Hidrxido (OH), Oxignio

molecular (O2) e Oxignio atmico (O) contribuem na emisso de ftons de forma

similar que foi descrita para o CO2.

1.2.4 Termosfera

A termosfera est localizada acima de 100 km alcanando uma altitude de 650

km da superfcie da Terra. A temperatura do topo da termosfera varia entre 1000 K

(727 C) e 2000 K (1727 C) dependendo do ciclo solar. Os ciclos solares so perodos

24

de mxima e mnima atividade do Sol. Para estes perodos de atividade solar, a

termosfera apresenta uma variao da temperatura, em funo da absoro da radiao

solar. A faixa da radiao absorvida est entre UV (ultravioleta) e EUV (extremo

ultravioleta) pelos constituintes qumicos da termosfera, como oxignio atmico (O),

nitrognio atmico (N) e hlio (He).

1.2.5 A Exosfera

A Exosfera camada mais afastada em relao superfcie da Terra.

considerada uma regio de transio entre a atmosfera e espao interplanetrio. O limite

superior da exosfera possivelmente de 960-1000 km (MOHANAKUMAR, 2008). O

ar torna-se muito rarefeito nesta regio, onde as molculas de gs escapam

constantemente para o espao.

As molculas emissoras da base da exosfera iro descrever rbitas balstica, ou

seja, partes de elipses que ir lev-las para fora de altas altitudes antes de reentrar na

atmosfera terrestre em pontos diferentes (SINGER, 1960). Portanto, algumas das

molculas tm velocidades maiores do que a velocidade de escape, assim podendo

escapar da ao do campo gravitacional da Terra.

1.3 Estrutura da atmosfera em funo de sua densidade eletrnica.

A atmosfera terrestre possui uma regio na atmosfera superior constituda

principalmente por eltrons livres e ons, que causadora de perturbaes na

propagao de ondas de rdio, definida de ionosfera. Na prtica, a ionosfera tem um

limite inferior de 50 a 70 km e nenhum limite superior ntido, embora 2000 km

arbitrariamente definido como o limite superior para a maioria dos fins de aplicao

(TASCIONE, 1988). A sua formao devido a produo de ons principalmente pela

absoro de Raios-X e da radiao do extremo ultravioleta (EUV) do Sol. Os ftons de

energia com valores acima de aproximadamente 12 eV so capazes de ionizar os

constituintes atmosfricos, sendo ao mesmo tempo, responsveis pelo aquecimento da

termosfera (KIRCHHOFF, 1991).

25

As estaes do ano apresentam-se tambm como influenciadores na variao da

densidade de eltrons, em razo da mudana do ngulo zenital do Sol e da intensidade

do fluxo de ionizao, caracterizando as variaes sazonais.

A Figura 2 mostra os perfis da densidade eletrnica (Ne) da ionosfera para o

perodo diurno e tambm noturno, considerando a atividade solar mxima e mnima,

representada pelas linhas slidas e pontilhada, respectivamente.

Figura 2. Perfis da densidade eletrnica para a atividade solar mxima e mnima, durante o dia e a noite

Fonte: Hunsucker e Hargreaves (2003).

A ionosfera dividida em trs regies, chamadas D, E e F (formada pelas

camadas F1 e F2) (YAMASHITA, 2000). Onde, os elementos que constituem o plasma

inico da ionosfera so derivados de muitos constituintes da atmosfera, principalmente

oxignio atmico (O+) e xido Ntrico (NO

+) (ARANHA, 2006).

26

1.3.1 Processo de Ionizao

A ionizao um processo que os eltrons interagem com os tomos ou

molculas neutras para formar ons positivos e negativos. Esse processo de ionizao

devido absoro da radiao solar principalmente na faixa entre o extremo ultravioleta e

dos Raios-X, sendo que este processo quantizado. Ento, para propagao de ondas

de rdio os eltrons so os elementos mais importantes em termos de alta frequncia por

serem muito mais leves que os ons, onde os eltrons podem se mover com maior

liberdade.

Portanto, existe um equilbrio dinmico no qual a concentrao lquida de

eltrons livres, dependente da velocidade relativa dos processos de produo e de

perda. Em termos gerais a taxa de mudana da densidade eletrnica dada pela equao

da continuidade, a qual indicada pela equao 1:

(

) = (). (1)

onde, corresponde a taxa de produo por unidade de volume, representa a taxa de

perda por recombinao, div () o termo de transporte e representa a velocidade

mdia de deriva das partculas ionizadas.

De acordo com a lei da ao das massas, se considerarmos uma reao de

ionizao, recombinao e movimento (HARGREAVES, 1992). Temos a seguintes

estruturas dada pela equao 2,

+ + + . (2)

Sendo, a concentrao de gs ionizvel.

Portanto, como o processo de fotoionizao depende da interao da radiao do

Sol com as espcies qumicas presentes na ionosfera. Neste sentido, existe uma

probabilidade de obter eltrons livres no lado da Terra que esteja iluminado, portanto a

intensidade de radiao ionizante depende da energia dos ftons (hv) da radiao solar.

A radiao solar na faixa espectral do extremo ultravioleta (EUV) e dos Raios-X

ao incidir sobre a atmosfera neutra interage produzindo uma grande quantidade de ons

e eltrons livres atravs do processo definido de fotoionizao que ocorre na ionosfera

27

(MATSUOKA, 2007). A Figura 3 mostra o processo de fotoionizao para o caso do

tomo de oxignio, assim produzindo eltrons livres e partculas ionizadas.

Figura 3 Processo de fotoionizao

Fonte: El.Gizawy (2003).

Para um eltron que interagem com um on carregado, positivamente uma

partcula neutra poder ser formada (ARANHA, 2006). Portanto, o processo de perda

corresponde o oposto de produo. Assim, existe um equilbrio dinmico no qual a

concentrao lquida de eltrons livres depende da velocidade relativa dos processos de

produo e perda (HUNSUCKER; HARGREAVES, 2003).

1.3.2 Camadas da Ionosfera

A ionosfera classificada conforme a variao vertical da densidade de eltrons

em unidades de (ele/m3). A Tabela 1 mostra a diviso das camadas com as escalas

aproximadas das alturas das regies ionosfricas. Essas camadas so indicadas para um

perodo diurno de formao da ionosfera.

Tabela 1. Representao das regies da ionosfera com respectivas alturas

Fonte: Autor.

O perfil de densidade eletrnica da ionosfera formado pelas regies D, E e F.

A camada F para o perodo diurno subdividida em F1 e F2. Devido aos esforos

cientficos a compreenso da regio ionosfrica, das camadas com seus processos de

ionizao e recombinao so bem definidos.

Regio

Incio Trmino

D 60 km 90 km

E 90 km 150 km

F1 150 km 200 km

F2 200 km 1000 km

28

A radiao solar quem define a presena ou ausncia das camadas na ionosfera

com sua altitude e posio. Em funo do horrio do dia, a radiao na ionosfera tem

intensidades mximas e mnimas. A densidade eletrnica mxima durante o dia e

mnimo durante a noite o qual neste perodo os eltrons livres e os ons positivos se

interagem, ocorrendo a recombinao.

A recombinao pode ocorrer de dois modos. Na primeira, definida como

recombinao radiativa, que consiste na interao dos eltrons (e) com ons positivos

(+) produzindo um tomo ou molcula neutra com excesso de energia L (PULINETS;

BOYARCHUK, 2004). Como representado na equao 3:

+ + . (3)

O segundo chamado de recombinao dissociativo e envolve primeiramente

uma interao entre ons positivos (+) originados da fotoionizao e a existncia

reaes biomoleculares (2) de acordo com a seguinte equao 4:

+ 2 + . (4)

Os termos do lado esquerdo ( 2) da equao so os reagentes e os termos do

lado direito ( ) correspondem os produtos. Ainda, no perodo da noite algumas

camadas no so observadas por no ser mais irradiada, em outras palavras elas

desapareceram conforme est ilustrado na Figura 4 (JESUS, 2008)

29

Figura 4. A diferena entre a quantidade de camadas ionosfricas durante o dia e noite

Fonte: Modificada Jesus (2008)

Regio D

A regio D surgi apenas durante o dia devido a interao da radiao solar com a

atmosfera terrestre e permanecendo por pouco tempo no incio da noite. Ela est situada

entre 60 e 90 km acima da superfcie da Terra. Essa camada se caracterizada por uma

pequena densidade de ionizao e grande frequncia de coliso dos eltrons e dos ons

com molculas neutras. tambm do ponto de vista qumico a regio mais complexa,

devido a presso relativamente elevada. (HARGREAVES, 1992).

As fontes de produo de on da regio D mais importantes em se tratando de

toda sua latitude so relacionadas a seguir (HARGREAVES, 1992).

O xido ntrico (NO) uma espcie que se apresentam em minoria, sendo

ionizada pela linha Lyman- do espectro solar a 1215 , que penetra abaixo de

95 km de altitude e cujo limite de ionizao de 1340 .

O espectro do EUV ioniza alguns constituintes em quantidades menores e

tambm o oxignio molecular (O2) na faixa espectral entre 1027 a 1118 .

Os raios X duros na faixa espectral de 2 a 8 , ionizam todos os constituintes da

camada D.

Os raios csmicos a maior fonte de ionizao, afetando toda baixa atmosfera.

30

As partculas energticas do Sol ou de origem auroral ionizam a regio D em

altas latitudes, onde s vezes formam a principal fonte de ionizao.

A regio D por apresentar caractersticas diferentes das outras regies no deve

ser estudada por mtodos convencionais, como ionossonda devido baixa concentrao

de eltrons encontrado na ordem de 109 eltrons/cm

3, e por apresentar alta frequncia de

coliso da ordem de 106 S

-1 (SILVA, 2013).

Regio E

A regio E formada durante o dia e dependendo de sua ionizao pode ser

detectada tambm noite, conhecida como camada espordica (Es). A camada E est

localizado aproximadamente entre 90 e 150 km de altura da superfcie da terra, sendo

uma das regies da ionosfera que apresenta mxima condutividade eltrica. A camada

espordica (Es) pode se formar a qualquer momento, dependendo das condies de

ionizao. A principal razo para essa viso que Es tem posio espacial diversificado,

que podem ser espalhados por uma vasta rea ou confinados a uma pequena rea.

A camada Es em baixas e mdias latitudes ocorre principalmente durante o dia e

predominantemente durante os meses de vero. Em altas latitudes, a camada Es mais

provvel de ocorrer durante a noite e frequentemente associada a aurora. Mais

importante ainda, as camadas Es pode ter uma densidade de eltrons semelhante a

regio F. No entanto, seu tempo aleatrio de ocorrncia e presena em qualquer lugar

particular torna a previso da camada Es muito difcil.

As fontes de ionizao para esta regio so Raios-X solares, radiao EUV,

partculas energticas de baixa energia (~keV) e em menor quantidade os meteoros

(BAUER, 1973). Portanto, deve-se mencionar que a regio E, apresenta uma

importncia em funo da interao com o campo magntico por meio das fortes

correntes eltricas que passam por ela (RISHBETH; GARRIOTT, 1969).

Os ons dominantes na regio E so as molculas (NO+, O2

+, N2

+), os quais

podem ser descritos com uma boa aproximao por alguns processos fotoqumicos pela

equao 5:

2 + 2+ + . (5)

31

Regio F

A regio F a camada que se localiza acima da regio E, sendo subdividida nas

camadas F1 e F2, onde o nvel de ionizao bastante elevado em comparao com as

camadas D e E. Durante o dia essa camada apresenta uma grande variao em sua

densidade eletrnica com predomnio do processo de fotoionizao do oxignio atmico

apresentando como principal fonte de ons e eltrons.

Regio F1

A regio F1 est localizada entre 150 e 200 km de altitude, a qual observada

apenas durante o dia devido a ionizao por meio da radiao solar na atmosfera

terrestre. Os comprimentos de ondas absorvido nesta regio de 200 a 900 . Onde, a

radiao neste comprimento de onda interage com o oxignio atmico formando os ons

(O+) com eltrons livres conforme a equao 6:

+ + + . (6)

A regio F1 est localizada entre 150 e 200 km de altitude. A fonte de ionizao

para esta regio a radiao EUV. Esta camada observada apenas durante o dia, em

funo da ionizao da radiao solar na atmosfera terrestre. O espectro da radiao

solar fortemente atribuda a esta regio de maior absoro est entre os comprimentos

de ondas de 200 a 900 . Onde, o processo qumico dominante na parte mais baixa

desta camada a fotoqumica sendo simplificado pelo domnio de apenas um on como

(O+). No entanto, este on formado pela seguinte equao, + + + , com

comprimento de onda em < 911.

Regio F2

A camada F2 localiza-se acima dos 200 km de altitude e engloba toda regio

superior da ionosfera. Esta camada responsvel pela grande parte das comunicaes

na faixa de altas frequncias (HF), que desempenha um importante papel na reflexo

dos sinais de ondas eletromagnticas.

32

A camada F2 contm um pico maior de densidade de plasma entre 250 e 400

km de altitude, sendo que a distribuio da densidade de eltrons acima do pico de F2

no pode ser descrito em termos do equilbrio entre a ionizao e recombinao, mas

sim como efeito de difuso. Observaes de foguetes e satlites mostram que o

constituinte inico predominante prximo do pico da camada F2 o oxignio atmico,

no entanto se verifica que existe uma mudana com aumento da altitude a partir da

regio superior (BANKS; KOCHARTS, 1973). A Figura 5 demonstra um perfil vertical

de densidade eletrnica com as respectivas regies ionosfrica e tambm as radiaes

ionizantes e ons gerados para cada camada.

A camada F2 pode ser simulada utilizando a equao de Chapman, escrita de

acordo com equao 7:

(, ) = (

)1/2exp {

1

2[1 1 exp(1)]}. (7)

onde,

a densidade de eltrons mxima em (cm-3

);

taxa de produo mxima de ftons/segundos;

1 a variabilidade da altitude;

corresponde o coeficiente de recombinao eficaz (cm3/segundos).

Assim, para altitude da regio F2 ( > 200 km), a atmosfera torna-se opticamente

fina para radiao solar.(TASCIONE, 1988). Portanto, a regio F2 fica caracterizada

porque existe um aumento da densidade eletrnica com a altura, pois a taxa de perda

reduzida com maior velocidade que a de produo. Sendo que, isto correto a uma

determinada altura limite, para o qual surge o pico da camada F2, dada pela altura entre

250 a 400 km. Para altitude maiores desta regio comeam a surgir outros processos

difusivos que potencializam os processos de perda (DENARDINI, 1999).

33

Figura 5. Mostra distribuio mdia de eltrons durante o dia com os principais ons para as camadas

ionosfricas

Fonte: Banks; Kocharts (1973)

1.4 Anomalia de Ionizao Equatorial

Anomalia de ionizao equatorial (EIA) definida como duas cristas de plasma

com grande densidade eletrnica em regies de baixa latitude magntica (LIN et al,

2007). A variao da EIA ocorre durante o dia, sendo apresentado valor mximo de

densidade eletrnica entorno das 14:00 LT (HARGREAVES, 1992).

Na regio equatorial, observado que as linhas de campos geomagnticas sobre

o equador so quase paralelas. Estas linhas de campo na regio equatorial so

posicionadas perpendicularmente ao campo eltrico zonal. A interao do campo

geomagntico com o campo eltrico zona da regio equatorial proporcionam deriva

vertical do plasma (E X B ). Pode-se mencionar que a eletrodinmica da ionosfera em

34

baixa latitude durante o dia fortemente afetada pelo processo de fotoionizao e

movimento vertical ascendente causado pela deriva E X B (FAGUNDES et al, 2007). A

Figura 6 mostra o processo de deslocamento da deriva vertical do plasma presente no

equador magntico.

Figura 6. Efeito fonte sobre o equador geomagntico devido deriva do plasma ionosfrico

Fonte: Pulinets e Boyarchuk (2004)

Os campos eltricos so gerados na camada E equatorial pelos ventos

termosfricos originados pelos gradientes horizontais de presso, que esto presente na

atmosfera devido variao da absoro da radiao solar (ABREU, 2007). Durante o

perodo diurno estes campos eltricos do dnamo E so direcionados. Portanto, estes

campos eltricos so deslocados ao longo das linhas de campos geomagntico a grandes

altitudes da regio F em funo da alta condutividade paralela (SCHUNK; NAGY,

2000). Aps a subida do plasma deslocado para baixo por ao da fora de gravidade

g e do gradiente de presso . Portanto, esse movimento do plasma definido como

efeito fonte, j mencionado acima. Os picos de densidade eletrnica so definidos como

anomalia de ionizao equatorial.

Os picos de ionizao em ambos lados do equador geomagntico se localizam

aproximadamente entre 10 e 20 de latitude geomagntica nos hemisfrio norte e sul.

Porm, estas duas regies de maiores densidades de plasma so referidas como

anomalia equatorial (Anomalia de Appleton), gerada por outro fenmeno bem

35

conhecido, o efeito fonte. Assim, a Figura 7 mostra a formao da anomalia de

ionizao equatorial.

Figura 7. Formao da EIA em funo do Dip. Latitude e da altura em ambos os hemisfrios sul e norte

do equador magntico

Fonte: Schunk e Nagy (2000).

1.5 Vrtice Polar

O vrtice polar um sistema de massa de ar ciclnico em grande escala

persistente nas regies polares geogrficas da Terra. O vrtice polar est localizado na

parte superior da troposfera e na estratosfera, sendo que sua origem caracterizada pela

ausncia dos aquecimentos solares das regies polares (RESMI, 2012). A parte inferior

do vrtice polar est entre 15 e 20 km de altura na regio inferior da estratosfera, e a

parte principal do vrtice polar localizada entre 20 km e aproximadamente 50 km de

altura (SCHOEBERL; STROBEL, 1978).

Os intensos ventos que circundam no plo escoando na direo de oeste-leste,

nas regies mais externas do vrtice polar, apresentam-se com intenso contraste com os

36

fracos ventos de leste-oeste observado no hemisfrio de vero, apresentando pouca

variabilidade. Os intensos ventos circumpolares se desenvolvem em meio a baixa

estratosfera, estes ventos so quem constitui o vrtice polar, onde a velocidade ao redor

do vrtice chega aos 100 ms-1

, no entanto o ar no centro do vrtice na ausncia de luz

solar torna-se muito frio, chegando a temperatura abaixo de -80o C

(MOHANAKUMAR, 2008). A Figura 8 mostra uma representao do vrtice polar.

Figura 8 Representao do vrtice polar

Fonte Mohanakumar (2008).

O processo de criao do vrtice ocorre aps o equincio de outono quando o

aquecimento da radiao solar na camada de oznio polar interrompido, no entanto, o

processo de resfriamento por emisso da radiao do infravermelho predominante

provocando a reduo da temperatura com o fluxo do jato polar transcorrendo

simultaneamente (PAES, 2012).

A formao da estrutura dinmica do vrtice domina a circulao da

estratosfera polar no perodo das estaes de inverno e primavera proporcionando o

acoplamento entre a estratosfera com as camadas troposfera e mesosfera da atmosfera

terrestre. Assim, enquanto a maioria das anlises feitas sobre os eventos de (SSWs) so

colocados como foco a propagao de ondas de Rossby, teorias alternativas incorporam

a excitao ressonante de modos livres e as interaes entre vrtice polar e anticiclone

37

Aleutian. A mais importante das ondas Rossby so as estacionrias, as quais propagam

para cima a partir da troposfera e so bastante fortes e variveis no inverno

(ANDREWS; HOLTON; LEOVY, 1987). Estas ondas deslocam-se para a estratosfera,

as quais so dissipadas, produzindo o aquecimento por desacelerao o fluxo mdio

(MATSUNO, 1971).

1.6 O Aquecimento Estratosfrico Sbito (SSW)

O fenmeno de aquecimento estratosfrico sbito foi descoberto por Richard

Scherhag em 1952. Os estudos eram realizados por meio de medidas de radiossonda

sobre Berlim, e da rede de radiosondagem que continuava a fornecer informaes do

SSW da estratosfera inferior e mdia.

Estas informaes foram complementadas por observaes realizadas de

foguetes at a alta mesosfera em determinados locais e horrios, sendo que as medies

realizadas por meio de satlites proporcionavam boa cobertura horizontal, temporal e

resoluo vertical satisfatria em vrios nveis da estratosfera e mesosfera. Assim,

novas percepes da morfologia tridimensional do aquecimento estratosfrico sbito

foram encontradas (ANDREWS; HOLTON; LEOVY, 1987). Para alguns invernos a

estrutura mdia zonal das temperaturas estratosfricas sobre a regio do Hemisfrio

Norte interrompido de forma drstica com a elevao rpida das temperaturas e

tambm ocorrendo uma reverso dos ventos mdios zonais em direo leste

permanecendo por alguns dias. Este evento conhecido como aquecimento

estratosfrico sbito (SSW).

O SSW, com base na sua intensidade e tempo, classificado em fraco, forte,

canadense e final (LABITZKE, 1981; ANDREWS; HOLTON; LEOVY, 1987). Assim,

o aquecimento forte definido para nvel de presso de 10 hPa ou abaixo com latitude

de 60o e com ocorrncia da reverso do vento zonal mdio de oeste para leste. Quando o

gradiente de temperatura existe e no ocorre a inverso do vento zonal mdio, o SSW

definido como fraco. Estudos recentes realizados com dados observacionais foram

usados para analisar o comportamento tpico do acoplamento da estratosfera com a

troposfera durante a ocorrncia dos aquecimentos estratosfricos sbitos

(LIMPASUVAN; THOMPSON; HARTMANN, 2004). Verificou-se que os SSWs

exibem um ciclo de vida que mede aproximadamente 75 dias.

38

A Figura 9 mostra a variao da temperatura estratosfrica do hemisfrio norte,

entre os meses de julho de 2011 a junho 2012 (linha slida vermelha) e a linha slida

preta e a banda cinza escura mostram a mdia histrica +/- desvio padro. A linha slida

vermelha indica variao da temperatura estratosfrica polar do hemisfrio norte,

representada no eixo das ordenadas e o perodo de dados analisados no eixo das abcissas

correspondente a um ano de dados. Os valores do desvio padro esto indicados no lado

direito da Figura 9 entre o mnimo e mximo para banda cinza. Nota-se na Figura 9 que

entre os meses de dezembro e fevereiro a temperatura estratosfrica apresenta um

aumento brusco, caracterizando assim o SSW. A Figura 10 mostra a velocidade (U) dos

ventos zonais em 60 de latitude no hemisfrio norte durante o evento SSW. As mesmas

caractersticas apresentadas para os eixos da Figura 9 se atribuem a Figura 10. Observa-

se que no final de novembro e incio de dezembro a velocidade atinge valor mximo

acima de 45 m/s, seguido por uma reduo na velocidade nos meses seguintes. Assim,

durante o SSW no indica uma reverso na velocidade do vento, onde a linha horizontal

violeta demarca a inverso do sentido do vento.

Figura 9. Variao da temperatura na estratosfera polar durante um ano. A linha preta indica a mdia

histrica, a banda cinza +/- desvio padro e a linha vermelha a variao da temperatura em 10 hPa (2011-

2012)

Fonte: Nasa, 2014

39

Figura 10. Variao da velocidade do vento durante um ano. A linha preta indica a mdia histrica, a

banda cinza +/- desvio padro, a linha vermelha a variao da velocidade do vento zonal e linha vinho

horizontal demarca a inverso da velocidade do vento em 10 hPa (2011-2012)

Fonte: Nasa, 2014.

A Figura 11 mostra um SSW forte ocorrido durante o perodo de dezembro de

2012 a maro de 2013. O SSW identificado por uma alterao rpida na temperatura

estratosfrica, onde pode se observar uma viso geral de anomalias nos parmetros da

estratosfera em 10 hPa (~32 km).

As Figuras 11a e 11b mostram um rpido crescimento da temperatura

estratosfrica e mudana na direo do vento zonal, ambos indicada pela linha

vermelha, logo no incio de janeiro de 2013 durante o SSW. A linha preta indica uma

mdia histrica de 30 anos de dados e a linha vermelha representam os parmetros

como temperatura a 90 N em 10 hPa e o vento zonal a 60 N em 10 hPa para o perodo

de inverno no hemisfrio norte.

40

Figura 11. (a) A temperatura em 90 N e nvel de presso atmosfrica 10 hPa representada pela linha

vermelha. (b) A mdia zonal do vento zonal a 60 N e 10 hPa durante o inverno de 2012 a 2013

Fonte: Goncharenko et al, (2013)

O SSW um dos fenmenos meteorolgicos fortes que ocorrem nas mdias e

altas latitudes da atmosfera terrestre durante os perodos de invernos (RESMI;

MOHANAKUMAR; APPU, 2013). Sendo que este fenmeno de alta latitude ocorre

nos meses de invernos de dezembro, janeiro e fevereiro no Hemisfrio Norte e tambm

ocorre nos meses de junho, julho e agosto no Hemisfrio Sul (RESMI, 2012). Os SSWs

so perturbaes meteorolgicas de grande escala que afetam drasticamente a dinmica

da alta latitude estratosfrica de inverno (PEDATELLA et al, 2014). A dinmica bsica

do SSW explicada em funo da propagao de ondas planetrias da troposfera para a

estratosfera (MATSUNO, 1971).

Para processos da ionosfera em baixa latitude, apresenta um acoplamento que

continua ainda muito difcil de ser compreendido, onde as mudanas externas esto

relacionadas com regies superiores da atmosfera.

Estudos mostram em condies nicas de mnimo solar os eventos de

aquecimento sbito estratosfricos impulsionam novas causas de perturbaes na

ionosfera. Onde as grandes variaes na ionosfera de baixa latitude vo ocorrer dias

depois ao evento de SSW, permitindo que se possa descartar a atividade geomagntica e

a irradincia solar como fenmenos causadores destas grandes variaes.

41

As ondas planetrias se intensificam durante o perodo que ocorre o SSW

(GONCHARENKO et al, 2013). As mudanas nas mars atmosfricas que chegam a ter

interaes no lineares, portanto se compreende que o processo de acoplamento com

ondas planetrias acontece durante SSW (DOMEISEN, 2012).

1.6.1 Comportamento vertical do Aquecimento Sbito Estratosfrico

Uma das caractersticas conhecidas do aquecimento sbito sua propagao em

direo estratosfera inferior a partir de 45 km de altitude (RESMI, 2012). Estas

caractersticas apresentam estruturas no zonais com ondas planetrias em direo ao

oeste. O aquecimento na estratosfera acompanhado por alteraes iguais e opostas das

que ocorrem na mesosfera pela maneira de resfriamento. A estrutura vertical do sistema

de SSW est associada tanto a regio da estratosfera como tambm da mesosfera.

O mecanismo para explicar a ocorrncia do evento de SSW proposto por

(MATSUNO, 1971). Portanto, de acordo com seu modelo, baseado em resultados

obtidos por Charney e Drazin (1961), o acoplamento entre as ondas planetrias e

escoamento zonal mdio gera uma desacelerao ou reverso da circulao zonal que

escoa no sentido de oeste para leste, induzindo uma circulao descendente na

estratosfera, produzindo aquecimento adiabtico (PANCHEVA et al, 2008)

Como resultado, as ondas estacionrias de Rossby se propagam para estratosfera

apenas no inverno, perodo em que os ventos de oeste apresentam predominncia, no

ocorrendo durante o vero apesar da predominncia dos ventos de oeste (RESMI, 2012).

Os mecanismos dinmicos mais aceitos da origem dos SSWs so causados pela

propagao das ondas de Rossby direcionadas para cima, geradas na troposfera. Estas

perturbaes de grandes amplitudes na troposfera se manifestam na baixa estratosfera

como anomalias que excitam os distrbios das ondas de Rossby (NISHII;

NAKAMURA, 2004; PETERS; VARGIN; KRNICH, 2007).

1.6.2 Classificao dos SSWs

Os eventos de SSW podem ser classificados em quatro categorias bsicas: forte,

fracos, canadenses e final. Alm disso, os aquecimentos podem classificar apenas os

principais aquecimentos de pleno inverno estratosfrico designado por intenso

aquecimento, como tambm aquecimento menor intensidade bem como aquecimento

42

estratosfrico final e os chamados aquecimentos canadenses (BLUME; MATHES,

2012). Uma definio estabelecida pela Organizao Meteorolgica Mundial (WMO,

1978) para a classificao dos eventos de SSW estabelecida abaixo.

Aquecimento forte.

Um aquecimento forte ocorre quando a inverso do gradiente de temperatura

meridional acompanhado por uma reverso do vento zonal mdio em 60o latitude

sobre o nvel de presso de 10 hPa, invertendo a partir dos ventos de oeste para leste

(ANDREWS; HOLTON; LEOVY, 1987).

De acordo com a Organizao Meteorolgica Mundial (WMO World

Meteorologica Organization) um evento de Aquecimento Sbito Estratosfrico (SSW)

pode ser denominado como de grande intensidade, em uma latitude e presso

respectivamente (60, 10hPa) correspondendo uma altura de aproximadamente 30km da

superfcie terrestre e com ocorrncia da inverso da circulao polar de leste para oeste.

Nessas condies, o vrtice polar sofre um deslocamento do seu eixo com ondas

planetrias, classificadas como de nvel 1 e quando estas ondas passam para um nvel 2,

leva o vrtice polar a se romper em duas estruturas de forma assimtrica. O SSW de

maior intensidade ocorre com maior frequncia no hemisfrio norte, enquanto no

hemisfrio sul observado com pouca frequncia.

Aquecimento fraco

O aquecimento fraco caracterizado desta forma por apresentar perodos de uma

semana ou at menos com temperatura variando acima de 25 K ocorrendo em qualquer

altitude estratosfrica em regies de latitude do hemisfrio norte. Este evento tambm

no apresenta a quebra do vrtice polar e nem a inverso da massa de ar de leste para

oeste, onde so estas caractersticas que permite diferenci-lo do aquecimento de alta

intensidade. Possivelmente, com uma srie de aquecimento fraco consecutiva pode

prever aquecimento forte, proporcionando um enfraquecimento no vrtice polar

(ONEILL, 2003).

Aquecimento final

43

O aquecimento final formado pela transio entre os ventos de invernos em

direo ao leste e os ventos que se propagam para oeste, portanto esta transio ocorre

de forma perturbada por no ser conduzida somente pelo aquecimento radiativo e

tambm por influncia do aquecimento sbito estratosfrico de uma forma mais

espordica.

Os aquecimentos finais so de maiores intensidades no plo sul, onde h

tambm um enfraquecimento do vrtice polar de forma gradativa, originando-se de

regies superiores da estratosfera com orientao de cima para baixo, onde o ar frio nos

plos substitudo por uma massa de ar quente de forma progressiva. O aquecimento

final ainda permite ser classificado de baixa e alta intensidade e para o perodo de

ocorrncia se classifica como precoce ou tardio (LABITZKE; NAUJOKAT, 2000).

Aquecimento Canadense

O SSW canadense ocorre apenas no hemisfrio norte, entre os meses de

novembro e dezembro, esse modelo de aquecimento mostra uma estrutura de formao

muito prpria, onde o mesmo influencia a mdia e baixa estratosfera. Apesar de o

vrtice polar ser deslocado e tambm distorcido, ele no sofre uma quebra do vrtice

(ONEILL, 2003). O aquecimento Canadense em comparaes com o aquecimento de

maior intensidade tem menor temperatura, no entanto, ocorre tambm uma inverso dos

ventos zonais sobre a regio polar (LABITZKE; NAUJOKAT, 2000).

1.6.3 Efeitos do (SSW)

Os eventos de SSWs so conhecidos como fenmenos da regio estratosfrica

polar, porm evidncias nas ltimas dcadas mostram influncias a outros fenmenos,

tanto em regies de baixa como grandes altitudes. Assim, uma ntida resposta da

troposfera ao SSW foi encontrada em estudos realizados por (THOMPSON;

SOLOMON, 2002). Estudos observacionais das regies da termosfera e baixa

mesosfera apresentam grande variabilidade durante os eventos de SSW (CHAU et al,

2011).

A possibilidade de haver uma alterao dos elementos que constituem a

estratosfera provvel, em funo do deslocamento da massa de ar provocado pelo

SSW. observado uma elevao da temperatura de forma intensa na estratosfera polar.

Para os eventos de SSW conhecidos como boreais que apresentam maior magnitude,

44

ocorre transporte de massa de ar longa distncia. Estes transportes de massa de ar de

longa distncia (por exemplo norte a sul), misturam-se com massa de ar de latitude

mdia, proporcionando tambm reaes qumicas que atualmente tem-se feito de

forma intensiva novos estudos para compreender o sistema de acoplamento da

estratosfera ionosfera termosfera. Assim, o resfriamento aparece em primeiro lugar

nas camadas mais baixas. Pode-se mencionar que a estratosfera polar ao atingir a

temperatura mxima a estratosfera tropical apresenta uma temperatura mnima.

Portanto, a sua compreenso ainda no total. Mesmo assim, intenso esforos esto

sendo aplicado para sua compreenso atravs de modelos como TIMEGCM (NCAR

Thermosphere Ionosphere Mesosphere Eletrodynamics General Circulation Model)

(LIU et al, 2011).

Apesar dos estudos sobre os eventos de aquecimento sbito estratosfrico hoje

no ser um assunto recente, porque o fenmeno teve observao de ligao com a

ionosfera por Brown e Williams em 1971. Nesta poca j se tinha informaes relativas

das variaes na densidade de eltrons nas regies D e E nos perodos de ocorrncia de

SSW. Sendo que os resultados obtidos por eles estavam de acordo com os estudos j

realizados anteriormente, o qual afirmavam que uma alta variao de densidade

eletrnica na regio da mesosfera no poderia ser atribuda atividade magntica

(GREGORY,1965).

Estudos recentes tm focado na resposta da ionosfera aos eventos de SSW.

Assim, durante a ocorrncia de eventos de SSW em Jicamarca (Peru), o radar

ionosfrico localizado no equador magntico, indica variaes anmalas na deriva

vertical do plasma (CHAU et al, 2009).

As principais mudanas que foram observadas na ionosfera durante a ocorrncia

do SSW, esto na distribuio do contedo total de eltrons TEC (GONCHARENKO et

al, 2010a; GONCHARENKO et al, 2010b; PEDATELLA; FORBES, 2010; CHAU et

al, 2010) e em campos eltricos (ANDERSON; ARAUJO-PRADERE, 2010) sendo

fenmeno que realiza o controle do plasma da ionosfera para o surgimento do efeito

fonte. Estudo tambm realizados com satlite de observao como CHAMP (FEJER et

al, 2010) e o satlite COSMIC (YUE et al, 2010; PANCHEVA; MUKHTAROV, 2011)

no comportamento da ionosfera global. E outros estudos como o acoplamento do

sistema da estratosfera e mesosfera (PANCHEVA et al, 2008)

A deriva vertical do plasma demostrada pela Figura 12, tirada de medidas

realizada em Jicamarca no perodo dos meses de dezembro e janeiro de 2007 e 2008,

45

respectivamente, quando foi observado a ocorrncia de um aquecimento estratosfrico

sbito (SSW) no ms de janeiro de 2008. A Figura 12 mostra deriva vertical do

plasma antes do evento de SSW e durante, respectivamente.

Para cada dia os dados da deriva so caracterizados por diferentes cores e

tambm com diferentes smbolos como mostrado nas Figuras 12a 12b. O valor mdio

da deriva para o perodo de dados analisados e tambm das condies solares

representada por uma linha preta continua, enquanto o desvio padro caracterizado

pelas linhas tracejadas. Portanto, visvel a diferena entre o primeiro e segundo

quadro, com relao deriva mostrada, se percebe uma amplitude no segundo quadro

muito maior em certos horrios do dia e sendo maior ainda, logo ao nascer do sol,

permanecendo por dias com este comportamento.

46

Figura 12. Mostra a deriva vertical do plasma sobre Jicamarca

Fonte: Chau, Fejer e Goncharenko (2009).

Os principais fatores que agem sobre a variabilidade da anomalia de ionizao

(EIA), so a atividade solar e os distrbios do campo geomagntico. O perodo de baixa

atividade solar e os perodos geomagnticos calmos, o agente principal da deriva

vertical de plasma o campo eltrico zonal (PAES, 2012).

Estes fenmenos ocorrem em regies de baixa latitude e parte em razo temos umas

respostas do campo eltrico zonal, onde os ventos neutros de mars o controlador do

campo eltrico zonal por meio do dnamo ionosfrico. Tais fenmenos quando na

ocorrncia do aquecimento sbito estratosfrico (SSW) entende-se que possa existir

algum comportamento de irregularidade relativo a distribuio do contedo total de

47

eltrons (TEC) na regio do equador magntico terrestre. visto na Figura 13 uma

comparao da mdia do TEC no hemisfrio sul na poca do vero entre manh e tarde,

e tambm a sua distribuio eletrnica no dia 27 de janeiro de 2009 para regio de

Jicamarca.

Figura 13. Dados obtidos de uma rede global de receptores de GPS do TEC no ms de janeiro de 2009

Fonte: Goncharenko et al. (2010a).

Os quadros a (manh) e b (tarde), mostram uma distribuio do TEC durante o

evento de aquecimento sbito estratosfrico e os quadros c (manh) e d (tarde) depois

de quatro dias. Nota-se que pela manh o TEC intensificou-se de 50-150%. Para o

perodo da tarde ocorreu uma reduo em torno de ~50% (GONCHARENKO et al,

2010a). Para os quadros e e f foi observado com o radar de espalhamento incoerente

48

uma mesma variao na deriva vertical de ons em altitudes de 200 a 500 km, isso no

perodo semidiurno.

Na Figura 13e a linha preta indica um valor mdio para um perodo de 35 anos e

deriva vertical indicada pela linha vermelha, mostrando um valor positivo no horrio

da manh, enquanto no turno da tarde acontece uma deriva intensa, mas negativa.

Assim, com uma anlise da variao do contedo total de eltrons percebe-se uma

elevao significativa da anomalia de ionizao equatorial EIA com valores variando de

20 TECu relativo ao perodo que ocorre a elevao da deriva seguida de uma reduo

no perodo da tarde com valores entre 10 a 15 TECu (GONCHARENKO et al, 2010a).

49

2 INSTRUMENTAO

2.1 Sistemas de Posicionamento Global (GPS)

Descrevemos aqui, algumas das principais caractersticas relacionado ao sistema

de GPS, que formado por um grupo de satlites orbitando o planeta Terra, enviando

ondas eletromagnticas na faixa de frequncia ultra alta (Ultra High Frequency

UHF). Os sinais UHF compreendem uma faixa de frequncia de 300 MHz a 3GHz,

onde esto includos os sinais de GPS (L1= 1575,42 MHz e L2= 1227,60 MHz).

Ser feita uma breve introduo dos sinais transmitidos, aplicaes e principais

observveis com fontes e os erros mais significativos envolvidos nas observveis de

GPS. Tambm ser demonstrado o clculo para determinar o TEC (Total Electron

Content Contedo Total de Eltrons), VTEC (Vertical Total Electron Content

Contedo Total de Eltrons na Vertical) e ROT (Phase Fluctuation ou Rate of

Change TEC flutuaes de fase ou taxas de variaes do TEC).

O sistema de posicionamento global (Global Positioning System GPS) ou

NAVSTAR-GPS um sistema de radionavegao desenvolvido pelo departamento de

defesa dos Estados Unidos da Amrica (Departament of Defense DoD), com o

objetivo de ser o principal sistema de navegao das foras armadas norte americanas

(MONICO, 2000). Ele proporciona uma situao de se ter em tempo real, a posio

exata de objetos que se tenha necessidade de obter informao na superfcie do planeta

Terra.

A definio do servio GPS baseada em conjuntos de satlites. O qual permite

que usurio em qualquer lugar da superfcie terrestre consiga determinar as suas

posies tridimensionais (latitude, longitude e altitude), a sua velocidade e hora durante

24 horas por dia independente das condies atmosfricas (ROCHA, 2003).

2.1.1 Segmento do GPS.

O sistema GPS consiste de trs segmentos principais: o Espacial, o segmento de

controle e o segmento do usurio.

Segmento Espacial

50

O segmento espacial est associado com a constelao dos satlites e sinais,

formado por 24 satlite distribudo de forma homogenia em seis rbitas em torno da

Terra. Cada rbita dos satlites est em planos de inclinao de 55 com relao a linha

do equador geogrfico. Nestas rbitas, o satlite executa uma volta a cada 11h58min ao

redor da Terra, transmitindo ondas eletromagnticas na frequncia de UHF para a Terra,

orbitando a aproximadamente 20.200 km de altitude (ROCHA, 2003). Na Figura 14

mostrado a constelao de 24 satlites.

Figura 14. Constelao dos satlites de GPS

Fonte: Secretaria da Educao, 2014

Segmento de Controle

Tem como principais tarefas monitorar e controlar continuamente o sistema de

satlites, determinar o sistema de tempo GPS, predizer as efemrides dos satlites,

calcular as correes dos relgios dos satlites e atualizar periodicamente as mensagens

de navegao de cada satlite.

O sistema de controle formado por cinco estaes de monitoramento, sendo trs

delas com antenas para transmisso dos dados e uma estao de controle central (MCS

Master Control Station), pertencendo (American Air Force), apresentado na Figura 15.

Os tipos de servios que compe este sistema so: SPS e o PPS. O SPS

(Servios de Posicionamento Padro) um servio de acesso civil, ao qual fornecem

http://www.geografia.seed.pr.gov.br/modules/galeria

51

precises de 100 metros no plano horizontal e 156 metros no plano vertical com

probabilidade de 95% com a SA ativada (KAPLAN; HEGARTY, 2006).

O PPS (Precise Positioning Service Servio de Posicionamento Preciso)

proporciona melhores resultados do que o SPS, porm de uso restrito das foras

armadas e de autoridades com permisso para uso do sistema, onde os resultados se

apresentam com 22,0 m na horizontal, 27,7m na vertical e 200 ns, esse nvel de preciso

permitido por ser implantado por mtodos mais avanados, conhecidos como

posicionamento por pontos simples.

Figura 15. Mapa com as localizaes da estao central e das estaes de monitoramento GPS

Fonte: adaptada de Monico, 2000.

Cada estao de monitoramento equipada com um oscilador externo de alta

preciso, receptor de dupla frequncia rastreando todos os satlites visveis e assim

transmite os dados para MCS (Master Control Station) onde so processados para

determinar as rbitas dos satlites, correes dos relgios dos satlites e transmisses

peridicas das mensagens de navegao efemrides para atualizao nos satlites.

Segmento de Usurio

Este tipo de segmento est associado diretamente aos receptores de GPS e

dividido em duas categorias; Civil e Militar, onde hoje existe uma enorme quantidade

de receptores para as mais diversas reas, esses receptores de GPS so estruturados com

antena com pr-amplificador, seo de RF (radiofrequncia) para identificar e processar

52

o sinal recebido, microprocessador do sinal do receptor, amostragem, processamento de

dados, oscilador e memria para armazenar os dados.

O uso desse segmento de GPS pelos militares tem como propsito estimar suas

coordenadas e deslocamentos quando realizam aes de combates e treinamentos.

Sendo que hoje, as maiores quantidades dos receptores de uso civil no mercado com as

mais diversas finalidades e com desenvolvimentos de softwares mais poderosos

proporcionam as pessoas mais conforto no seu dia a dia. A Figura 16 representa uma

breve descrio dos elementos mais importantes dos receptores de GPS.

Figura 16. Principais componentes de um receptor

Fonte: Monico, 2007

2.1.2 Sinais emitidos pelos Satlites de GPS.

O sistema Global de Posicionamento (Global Positioning System) tornou-se uma

tecnologia de extrema importncia e inovadora para extensas atividades que so

utilizadas pelos GPS. Atualmente, o sistema de cada satlite transmite duas ondas

portadoras L1(1575,42 MHz) e L2(1227,60 MHz), que emite duas frequncias do qual

pode se obter distncia entre posies pr-definidas entre os satlites e receptores. A

forma de determinar a localizao do receptor dada por uma estrutura geomtrica de

uma relao de trs esferas com igualdades de seus raios, onde os satlites tm que estar

no centro de cada esfera como mostra a Figura 17.

53

Figura 17. Ilustrao para obter o posicionamento bsico com GPS

Fonte Trimble, (2001)

As ondas eletromagnticas enviadas pelos satlites de GPS so sinais de rdio

gerados a partir da frequncia fundamental de 10,23 MHz, onde as duas ondas so

classificadas como L1 emitida a 1575.42 MHz e L2 transmitida a 1227.60 MHz.

Portanto, essas duas frequncias so formadas por uma sequncia binria modulada ou

cdigo diferentes para cada satlite.

A frequncia L1 modulada por 2 cdigos, o C/A (Coarse Acquisition) que

transmite 1023 dgitos e para um segundo cdigo transmite 10,23 milhes de dgitos

binrios conhecido como P (precise). Para frequncia L2 h apenas o cdigo P

modulado. No entanto, os dois cdigos tm como funo identificar o satlite e

proporcionar a medida do tempo do percurso da onda do satlite ao receptor.

Foram criados cdigos como SPS (Standard Positioning Service) e PPS (Precise

Positioning Service) que permitiram servios padronizados com base no cdigo C/A,

obtendo uma menor preciso na medida do tempo do trajeto em relao ao cdigo P em

que estabelece um servio de melhor preciso. Nota-se a distribuio dos sinais na

Figura 18.

54

Figura 18. Organizao estrutural do sinal de GPS

Fonte: Leica (2004).

A frequncia L1 igual 154 x 10,23 = 1575.42Mhz;

A frequncia L2 igual 120 x10,23 = 1227.60Mhz.

As mensagens de navegao contm informaes sobre os relgios, rbitas e

funcionamento dos satlites (FEDRIZZI, 1999). O cdigo C/A tem um comprimento de

onda por volta dos 300m, sendo que cada satlite apresenta um cdigo gerado pelo

produto de duas sequncias PR (pseudoaleatrias), especificado como G1 e G2, onde

cada um tem 1,023 bits com perodo de 1ms (milissegundo) fazendo parte de um grupo

de cdigo (Gold codes) apresentando caractersticas de baixa relao de seus membros

(MONICO, 2007). Na Tabela 2 pode-se verificar um resumo dos componentes do sinal

de GPS.

Tabela 2 Componentes dos sinais dos satlites

Fonte: Hoffman-Wellenhof et al (2001)

Para cada mensagem de navegao fornecido informao para se realizar o

clculo das posies para os satlites que se apresentam tambm moduladas sobre as

portadoras com frequncia de 50 Hz e sendo transmitida com intervalo de tempo de 30

Componetes Frequncias (MHz)

Frequncia fundamental f0 =10,23

Portadora L1 154f0 =1575,42

Portadora L2 120f0 =1227,60

Cdigo P f0 =10,23

Cdigo C/A f0/10 =1,023

Cdigo w f0/20 =0,5115

Mensagem de navegao f0/204600 =50.10-6

55

segundos (1500 bps), (HOFFMANN-WELLENHOF et al, 2001). As portadoras L1 e

L2 so modulados pelo cdigo P (Y) e o cdigo C/A. A portadora L1 apresenta uma

defasagem de 90 em relao ao cdigo P, assim criado uma demodulao das

portadoras Li=aicos(fit), a qual uma sequncia de estado dos cdigos com mensagem de

navegao pode ser observados pela equao 8 e 9.

1() = ()()() cos(1 + ,1,) + ()()(1 + ,1,). (8)

2() = ()()() cos(2 + ,2,). (9)

onde,

a amplitude do cdigo P;

a amplitude da portado 2;

() a sequncia do cdigo P(+1 e -1);

() corresponde a criptografia sobre o cdigo P, com possibilidade de ser diferente

entre os satlites;

() representa o fluxo dos dados com estados +1 e-1;

a amplitude do cdigo C/A;

() representa a sequncia do cdigo C/A (+1 e -1);

1 a frequncia da portadora L1, e ,2, corresponde o rudo da fase do estado do

oscilador, onde i refere ao satlite em questo, para o caso de L2 apresentar uma

estrutura menor porque tem apenas o cdigo P.

2.1.3 Aplicaes do GPS

A aplicao do uso de GPS normalmente empregada na navegao, terrestre e

no espao com as aeronaves, no entanto tambm se aplica no campo geodsico

conhecida como aplicao esttica.

Hoje com o avano da tecnologia, destacando o campo da geodesia os

equipamentos de medidas apresentam acurcia na ordem de pequenos valores, como 5

cm nas medidas realizadas. Contudo, a preciso depende de muitos fatores, como: o

nmero de satlites visveis, a geometria da constelao destes satlites visveis, o

tempo em que so rastreadas, preciso das efemrides e as perturbaes desenvolvidas

na ionosfera. De acordo com Monico (2000), a acurcia definida como o grau de

56

concordncia entre o valor estipulado e o valor verdadeiro dado a uma determinada

preciso.

2.1.4 Observveis GPS

Os observveis de GPS so distncias que so deduzidas a partir de medies

realizadas da fase ou de tempo ou diferenas de fase com base numa comparao entre

os sinais do receptor gerado e recebidos, onde dois relgios so usados, a saber, no

satlite e outro no receptor. Este fato com que as distncias sejam influenciadas pelos

erros de ambos, por isso so chamados de pseudodistncias, (HOFFMANN-

WELLENHOF et al., 2001). A pseudodistncia representada mediante as equaes 10

e 11:

= =[() + ][

() + ] =() + , (10)

Sendo, () = () () e =

, assim estes

parmetros representam o intervalo de tempo entre o satlite e o receptor e os erros dos

relgios tanto do satlite como do receptor com relao ao tempo do GPS. Para

determinar a pseudodistncia multiplica-se o intervalo de tempo pela velocidade da luz,

como representado abaixo;

= = () + = + . (11)

Onde, a pseudodistncia e representa exatamente a distncia geomtrica

da posio das antenas do satlite para o receptor. Como, est em funo de dois

tempos diferentes, ocorre uma expanso numa srie de Taylor relativo ao tempo de

emisso. Portanto, por meio da equao 12 obtida a distncia geomtrica entre o

satlite e receptor.

= (, ) = (, ( + ))= () + (). (12)

Onde a derivada de em relao ao tempo ou a velocidade radial do satlite

relativamente antena de recepo. A velocidade radial mxima para satlites GPS nos

57

casos de um receptor estacionrio 0,9kms-1, e o tempo de viagem do sinal do

satlite de cerca de 0,07s.

2.1.5 Fase portadora

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Universidade do Vale do Paraíba Instituto de Pesquisa e ... · Francisco vieira. Estudo da resposta ionosférica tropical ao ... Prof. Dr. Márcio Tadeu de Assis Honorato Muella