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INPE – 15222-TDI/1315<br />
ESTUDO DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS<br />
EQUATORIAIS UTILIZANDO GPS<br />
Fabiano da Silveira Rodrigues<br />
Dissertação de Mestrado do Curso de Pós-Graduação em Geofísica Espacial, orientada<br />
pelos Drs. Eurico Rodrigues de Paula e Mangalathayil Ali Abdu, aprovada em 03 de<br />
fevereiro de 2003<br />
INPE<br />
São José dos Campos<br />
2008
Publicado por:<br />
esta página é responsabilidade do SID<br />
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)<br />
Gabinete do Diretor – (GB)<br />
Serviço de Informação e Documentação (SID)<br />
Caixa Postal 515 – CEP 12.245-970<br />
São José dos Campos – SP – Brasil<br />
Tel.: (012) 3945-6911<br />
Fax: (012) 3945-6919<br />
E-mail: pubtc@sid.inpe.br<br />
Solicita-se intercâmbio<br />
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Publicação Externa – É permitida sua reprodução para interessados.
INPE – 15222-TDI/1315<br />
ESTUDO DAS IRREGULARIDADES IONOSFÉRICAS<br />
EQUATORIAIS UTILIZANDO GPS<br />
Fabiano da Silveira Rodrigues<br />
Dissertação de Mestrado do Curso de Pós-Graduação em Geofísica Espacial, orientada<br />
pelos Drs. Eurico Rodrigues de Paula e Mangalathayil Ali Abdu, aprovada em 03 de<br />
fevereiro de 2003<br />
INPE<br />
São José dos Campos<br />
2008
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação<br />
Rodrigues, Fabiano da Silveira<br />
Estudo das irregularidades ionosféricas equatoriais utilizando<br />
GPS / Fabiano da Silveira Rodrigues. – São José dos Campos: INPE,<br />
2003.<br />
175p. ; (INPE-15122-TDI/1315)<br />
I<br />
I<br />
1. Spread F. 2. Sistema de Posicionamento Global. 3. Ionosfera.<br />
4. Propagação de ondas. 5. Densidade eletrônica ionosférica.<br />
I. Título.<br />
CDU 523.6
"Imagination is more important than knowledge."<br />
[Albert Einstein]
A meus pais,<br />
que se esforçaram ao máximo para a minha educação,<br />
dedico.
AGRADECIMENTOS<br />
Em primeiro lugar, o agradecimento muito especial à minha noiva, Danieli Balbueno<br />
Contreira, que sempre esteve junto comigo nos momentos mais decisivos da minha vida<br />
pessoal e acadêmica.<br />
Meus sinceros agradecimentos ao Orientador, Dr. Eurico Rodrigues de Paula, pela<br />
orientação, motivação e, sobretudo, amizade. Meus agradecimentos também ao Dr. M.<br />
A. Abdu, pela co-orientação e por disponibilizar os dados de CET utilizados nesta<br />
dissertação.<br />
Agradeço ao Dr. K. N. Iyer que, durante o período que esteve como pesquisador<br />
visitante na DAE/INPE compartilhou conosco ao máximo o seu conhecimento sobre<br />
cintilações equatoriais, o que rendeu valiosos resultados a este trabalho.<br />
Um agradecimento especial aos Drs. T. Pedersen e K. M. Groves do Laboratório de<br />
Pesquisas da Força Aérea Norte-Americana (AFRL) pelo incentivo à minha visita ao<br />
AFRL e por valiosos comentários. Agradeço também sugestões e comentários dados por<br />
Dr. T. Beach (AFRL), Dr. P. M. Kintner (Cornell University), Dr. B. G. Fejer (Utah<br />
State University) e Dr. K. Makita (Takushoku University, Japão).<br />
Meus sinceros agradecimentos a todas as pessoas envolvidas na coleta e gerenciamento<br />
dos dados utilizados nesta dissertação, principalmente à Lucia de Almeida Terra Limiro,<br />
Maria Goreti dos Santos Aquino, Amita Muralikrishna, José Jorge dos Santos<br />
Vasconcellos, Sérgio Gripp (INPE/Cuiabá), Acácio Cunha Neto (INPE/São Luís), Prof.<br />
Walter Castro (FUA/Manaus), Jaquiel Fernandes (Palmas) e bolsistas/estagiários da<br />
URS/INPE em Santa Maria-RS.<br />
Os procedimentos para obtenção do Conteúdo Eletrônico Total através das observáveis<br />
GPS tiveram base nos estudos realizados pelo Dr. I. J. Kantor, valiosos no<br />
desenvolvimento desta dissertação.
Meus agradecimentos a todos os colegas em São José dos Campos, especialmente, aos<br />
grandes amigos Christiano Garnett M. Brum, Clézio M. De Nardin, Daniel B. Pretto,<br />
Fernando Bertoni, José Henrique Fernandez, Marcos V. T. Heckler e Mariangel<br />
Fedrizzi pelo companheirismo e apoio. Agradeço também aos colegas de Santa Maria,<br />
residindo agora em São José dos Campos, que me auxiliaram na vinda para o INPE.<br />
E, finalmente, o agradecimento de mais um ex-orientando ao Dr. Nelson J. Schuch por<br />
apresentar-me à carreira cientifica e ao INPE durante o período de Iniciação Cientifica.<br />
Esta dissertação foi desenvolvida no INPE com recursos financeiros da Fundação de<br />
Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo - FAPESP, Projeto N o 00/13325-5. A<br />
apresentação de alguns resultados desta dissertação no “Ionospheric Effects Symposium<br />
- 2002”, em Alexandria-VA, EUA foi financiada pela Força Aérea Norte-Americana. A<br />
apresentação de resultados preliminares no “Jicamarca Observatory - 40th Anniversary<br />
Workshop”, em Lima no Peru foi financiada pela NSF (“National Science Foundation”)<br />
dos EUA e pelo Instituto Geofísico do Peru - IGP. A participação no Congresso<br />
Internacional da Sociedade Brasileira de Geofísica 2001 foi parcialmente financiada<br />
pela Takushoku University do Japão.
RESUMO<br />
Sinais transmitidos por satélites do Sistema de Posicionamento Global (GPS) foram<br />
utilizados para estudar irregularidades ionosféricas equatoriais no Brasil. Dados de<br />
cintilação nos sinais GPS (L1=1,575 GHz) foram utilizados para estimar a ocorrência de<br />
irregularidades ionosféricas com escalas de tamanho em torno de 400 metros. Dados de<br />
cintilação também foram comparados com observações do fenômeno da camada F<br />
espalhada ou Equatorial Spread F (ESF) realizadas por outros tipos de instrumentos tais<br />
como radar VHF de espalhamento coerente, digissonda e fotômetro. Os dados de<br />
cintilação também foram utilizados para estimar as características da ocorrência de<br />
irregularidades sobre São José dos Campos (-18 o latitude dip), localizada próximo ao<br />
pico da Anomalia Equatorial. A variação com a hora local e sazonal das irregularidades<br />
foram determinadas através dos dados de cintilação. O resultado obtido é similar ao<br />
padrão sazonal de ocorrência do ESF determinado por medidas de ionossondas. O<br />
decaimento das irregularidades que causam cintilação, entretanto, é muito mais rápido<br />
devido às menores escalas de tamanhos das irregularidades envolvidas. Cintilações mais<br />
fortes foram observadas durante os meses de equinócio, o que indica um efeito da maior<br />
densidade eletrônica da ionosfera. Efeitos da atividade solar sobre a ocorrência e<br />
magnitude dos sinais GPS também foram estudados. A magnitude e a ocorrência das<br />
cintilações tende a aumentar com o aumento da atividade solar. Dados coletados em<br />
várias estações sobre o território brasileiro foram utilizados para estimar a variação<br />
latitudinal da ocorrência e intensidades das cintilações. Os resultados mostram que as<br />
intensidades das cintilações são maiores na região próxima ao pico da Anomalia<br />
Equatorial. Receptores GPS de dupla-freqüência foram utilizados para estimar o<br />
Conteúdo Eletrônico Total (CET) da ionosfera e plasmasfera. Medidas de CET em São<br />
Luís (-1.73 o dip latitude) foram utilizadas para estudar os efeitos das irregularidades<br />
ionosféricas sobre a variabilidade dia-a-dia do CET vertical (CETV) na região<br />
equatorial. A ocorrência de irregularidades ionosféricas foi estimada a partir do desvio<br />
RMS (“Root-Mean-Square”) do CET. Por fim, a distribuição latitudinal do CETV,<br />
desde aproximadamente –30 o até +10 o foi obtida a partir de medidas simultâneas de<br />
CET em São José dos Campos e São Luís. Estes perfis latitudinais do CETV foram<br />
utilizados para estudar o comportamento da ionosfera durante a ocorrência ou não de<br />
um evento de ESF. A partir dos perfis latitudinais também foi possível observar o pico<br />
sul da Anomalia Equatorial que localiza-se entre –10 o e –20 o de latitude inclinação<br />
magnética (latitude dip). A ocorrência da Anomalia Equatorial pode explicar, em parte,<br />
a variação latitudinal da magnitude das cintilações, as quais dependem também de<br />
fatores tais como altura e espessura da camada de irregularidades, além da densidade<br />
ambiente do plasma ionosférico.
GLOBAL POSITIONING SYSTEM STUDIES OF EQUATORIAL<br />
IONOSPHERIC IRREGULARITIES<br />
ABSTRACT<br />
Signals transmitted by the Global Positioning System (GPS) satellites were used to<br />
study equatorial ionospheric irregularities over Brazil. GPS (L1=1.575 GHz)<br />
scintillation data were used to infer the occurrence of ~400m scale-size irregularities<br />
and compared with equatorial Spread F (ESF) observations carried out by several other<br />
instruments like VHF coherent backscatter radar, digisonde and airglow photometer.<br />
GPS scintillation was also used to infer the characteristics of the intermediate scale-size<br />
ionospheric irregularities occurrence over São José dos Campos (-18 o dip latitude)<br />
located close to the Equatorial Anomaly crest. Local time and seasonal variations of the<br />
irregularities were inferred by using GPS scintillation data. Results agree quite well<br />
with the well-known seasonal pattern of ESF in Brazil determined from ionosonde<br />
observations. However, the time decay of GPS scintillation irregularities was much<br />
shorter due to their smaller scale-sizes. Stronger scintillations were observed during<br />
equinoctial months when the ionospheric background density is much higher. Solar<br />
cycle effects on GPS scintillation occurrence and magnitude were also determined.<br />
Scintillation magnitude and occurrence tend to increase with solar cycle. Latitudinal<br />
dependence of GPS scintillation occurrence and magnitude was estimated from several<br />
stations distributed over the Brazilian Territory. Dual - frequency GPS receivers were<br />
also used to estimate the Total Electron Content (TEC) that accounts contributions from<br />
ionosphere and plasmasphere electron densities. TEC measurements at São Luís (-1.73 o<br />
dip latitude) were used to study the ionospheric irregularity effects on the day-to-day<br />
variability of the vertical TEC (VTEC) over the magnetic equatorial region. The<br />
occurrence of ionospheric irregularities was also estimated from the RMS (Root-Mean-<br />
Square Deviation) of VTEC. Finally, latitudinal distributions of VTEC, from about –30 o<br />
to about +10 o dip latitude were estimated from simultaneous VTEC measurements<br />
performed at São Luís and São José dos Campos. VTEC latitudinal distributions were<br />
successfully used to study the behavior of the ionosphere during ESF and non-ESF<br />
conditions. The Equatorial Anomaly occurrence may partially explain the observed<br />
latitudinal variation of scintillation magnitudes since they also depend on the height and<br />
thickness of the irregularities layer, besides the background electron density.
SUMÁRIO<br />
CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO ............................................................................. 17<br />
CAPÍTULO 2 - O SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS) ......... 21<br />
2.1 - Introdução ......................................................................................................... 21<br />
2.2 - Características do sinal GPS................................................................................ 22<br />
2.2 - Posicionamento através do GPS .......................................................................... 24<br />
2.2 - Receptores GPS ................................................................................................. 26<br />
CAPÍTULO 3 – A IONOSFERA ............................................................................ 29<br />
3.1 - Introdução .......................................................................................................... 29<br />
3.2 - Fenômenos da ionosfera equatorial e de baixas latitudes....................................... 31<br />
3.2.1 - Princípio da teoria do dínamo atmosférico ........................................................ 32<br />
3.2.2 - O pico de pré- reversão da deriva vertical E×B do plasma io nosférico .............. 32<br />
3.2.3 - Anomalia Equatorial ou Anomalia de Appleton ................................................ 35<br />
3.2.4 - O Fenômeno da camada F espalhada .............................................................. 37<br />
CAPÍTULO 4 - EFEITOS DA IONOSFERA EM SINAIS GPS .......................... 43<br />
4.1 – Cintilações ionosféricas ....................................................................................... 43<br />
4.1.1 - O índice de cintilação (S 4 ) ............................................................................... 45<br />
4.1.2 - O índice S 4 calculado pelos receptores SCINTMON ...................................... 48<br />
4.1.3 - Morfologia global das cintilações ..................................................................... 50<br />
4.2 - Refração ionosférica............................................................................................ 52<br />
4.2.1 - Determinação do CET a partir de medidas de código ....................................... 58<br />
4.2.2 - Determinação do CET a partir de medidas de fase............................................ 61<br />
4.2.3 - Obtenção do CET vertical ............................................................................... 64<br />
CAPÍTULO 5 - INSTRUMENTAÇÃO, DADOS E METODOLOGIAS ............ 67<br />
5.1 - Instrumentação e dados ...................................................................................... 67<br />
5.1.1 - Monitores de cintilação – SCINTMON .......................................................... 67<br />
5.1.2 - Receptores TurboRogue ICS- 4000Z .............................................................. 71<br />
5.2 - Metodologias ..................................................................................................... 73<br />
5.2.1 - Estudos das irregularidades ionosféricas através das cintilações ........................ 73<br />
5.2.2 - Estudo das irregularidades ionosféricas sobre São José dos Campos ................ 74<br />
Pág.
5.2.3 - Cálculo do CET .............................................................................................. 75<br />
CAPÍTULO 6 - RESULTADOS E DISCUSSÕES I: OBSERVAÇÕES DA<br />
CINTILAÇÃO IONOSFÉRICA E DO ESF UTILIZANDO MULTIPLAS<br />
TÉCNICAS .............................................................................................................. 79<br />
6.1 - Observações do ESF utilizando múltiplas técnicas ............................................... 79<br />
6.2 - Descrição da campanha de observações em São Luís ......................................... 81<br />
6.2.1 - Conjunto de dados .......................................................................................... 82<br />
6.2.2 - Interpretação das observações ........................................................................ 85<br />
6.2.3 - Dificuldades na comparação entre plumas e cintilações ..................................... 87<br />
6.2.4 - Análise de dois dias típicos .............................................................................. 87<br />
6.2.5 - Exemplo da variabilidade dia - a- dia do ESF ..................................................... 90<br />
6.3 - Campanha de São Martinho da Serra ................................................................. 93<br />
6.3.1 - Conjunto de observações ................................................................................ 94<br />
6.3.2 - Interpretação das observações ........................................................................ 96<br />
6.3.3 - Comparação entre os dados de luminescência e de cintilação ............................ 97<br />
6.3.4 - Extensão latitudinal das bolhas iono sféricas ...................................................... 99<br />
CAPÍTULO 7 - RESULTADOS E DISCUSSÕES II: ESTUDO ESTATÍSTICO DAS<br />
CINTILAÇÕES ....................................................................................................... 101<br />
7.1 - Observações de cintilação em São José dos Campos ......................................... 101<br />
7.2 - Variação temporal diária .................................................................................... 105<br />
7.3 - Sazonalidade ...................................................................................................... 107<br />
7.4 - Efeito do fluxo solar ........................................................................................... 110<br />
CAPÍTULO 8 - RESULTADOS E DISCUSSÕES III: MEDIDAS DE CET E<br />
CINTILAÇÕES ....................................................................................................... 117<br />
8.1 - Medidas do CET ............................................................................................... 119<br />
8.2 - Flutuação de CET e cintilações ........................................................................... 119<br />
8.3 - Variação diária do CET vertical .......................................................................... 122<br />
8.4 - Estimativa da ocorrência de irregula ridades através de medidas do CET .............. 125<br />
8.5 - Desvio RMS do CET em São Luís e São José dos Campos ............................... 127<br />
8.6 - Variação sazonal do CETV em São Luís ............................................................ 129<br />
8.7 - Desvio RMS do CETV sobre São Luís .............................................................. 135<br />
8.8 - Distribuição latitudinal do CETV ......................................................................... 136<br />
8.8.1 - Distribuição latitudinal do CETV durante dias com ocorrência de ESF ............. 139<br />
8.9 - Geração de mapas da distribuição latitudinal do CETV ....................................... 140<br />
8.9.1 - Procedimentos para a geração dos mapas de CETV ........................................ 141<br />
8.10 - Distribuição do CETV para os dias 22 e 23 de Setembro de 2001 ................... 143
8.10.1 - Condições de ESF para os dias em estudo .................................................... 144<br />
8.10.2 - Análise da distribuição latitudinal do CETV .................................................... 145<br />
8.10.3 - Mapas da distribuição do CETV ................................................................... 150<br />
CAPÍTULO 9 - CONCLUSÕES ............................................................................. 153<br />
CAPÍTULO 10 - SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ....................... 159<br />
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................... 161<br />
APÊNDICE A - DESCRIÇÃO DO ARQUIVO SUMÁRIO ................................ 171<br />
APÊNDICE B - DESCRIÇÃO GERAL DOS PROCEDIMENTOS PARA<br />
OBTENÇÃO DOS ARQUIVOS TEC .................................................................... 173
CAPÍTULO 1<br />
INTRODUÇÃO<br />
Esta dissertação trata do estudo das irregularidades ionosféricas através da utilização<br />
dos sinais transmitidos pelos satélites do Sistema de Posicionamento Global (GPS).<br />
As irregularidades ionosféricas são perturbações na densidade do plasma ionosférico e<br />
se originam através de processos de instabilidade de plasma do tipo Rayleigh-Taylor<br />
(RT) que ocorrem na ionosfera equatorial. A instabilidade RT dá origem às<br />
irregularidades na camada F ionosférica com um amplo espectro de escalas de tamanho<br />
desde alguns centímetros até centenas de quilômetros. Este fenômeno, de<br />
irregularidades na ionosfera e sua manifestação nos dados coletados pelos mais diversos<br />
tipos de equipamentos para observação da ionosfera, é conhecido como camada F<br />
espalhada ou simplesmente Equatorial Spread F (ESF). Este nome tem origem no<br />
espalhamento causado pelas irregularidades ionosféricas nos traços de ionogramas<br />
equatoriais e de baixas latitudes.<br />
Atualmente, vários esforços na área de Aeromomia têm sido realizados para uma<br />
melhor compreensão dos processos eletrodinâmicos envolvidos na geração das<br />
irregularidades ionosféricas. Os sinais GPS têm sido empregados por grupos de<br />
pesquisas ionosféricas para observação da ionosfera equatorial, de modo a determinar a<br />
ocorrência das irregularidades ionosféricas. Recentemente, também têm-se utilizado os<br />
sinais GPS para estudar o comportamento do Conteúdo Eletrônico Total ionosférico (e<br />
plasmasférico) durante eventos de ESF.<br />
Neste contexto, esta dissertação tem como objetivos principais um melhor<br />
conhecimento, por parte do autor e do próprio Grupo de Ionosfera da Divisão de<br />
Aeronomia, com as técnicas que empregam o GPS para estudos ionosféricos e o<br />
17
emprego destas técnicas para o estudo das irregularidades ionosféricas que ocorrem<br />
freqüentemente no Território Brasileiro.<br />
Do ponto de vista científico, esta dissertação contribui em um melhor conhecimento das<br />
técnicas que empregam o GPS para estudos ionosféricos; resulta no primeiro estudo<br />
(com caráter de dissertação) do INPE de irregularidades com escalas de tamanho (~ 400<br />
metros) capazes de causar cintilação em sinais com freqüência na Banda L e fornece os<br />
primeiros resultados de uma análise do comportamento do CET em longitudes<br />
brasileiras durante eventos de ESF.<br />
Do ponto de vista de aplicação, os resultados podem e já estão sendo utilizados em<br />
estudos para a implementação de Sistemas de Aumentação para o GPS em regiões<br />
equatoriais e de baixas latitudes (Klobuchar et al., 2002; Doherty et al., 2002). Estes<br />
sistemas têm como objetivo uma melhor performance do posicionamento GPS através<br />
da minimização do erro ionoférico para a futura aplicação do GPS em pousos e<br />
decolagens de aeronaves.<br />
A apresentação desta dissertação está organizada da seguinte forma: O Capítulo 2<br />
consiste de uma breve introdução sobre o GPS e sobre os sinais transmitidos pelos<br />
satélites deste sistema, com os quais serão estudadas as irregularidades ionosféricas.<br />
No Capítulo 3 é realizada uma revisão de conceitos fundamentais de ionosfera e de dois<br />
fenômenos típicos da ionosfera equatorial: o fenômeno do ESF e a Anomalia Equatorial<br />
também conhecida como Anomalia de Appleton.<br />
O Capitulo 4 discute dois efeitos da ionosfera sobre os sinais GPS: a cintilação e a<br />
refração ionosférica. Estes dois efeitos são utilizados para identificar a ocorrência de<br />
irregularidades na linha de visada do sinal GPS e para estudar o comportamento do<br />
Conteúdo Eletrônico Total (CET) durante eventos de ESF.<br />
18
No Capítulo 5 são descritos os dados utilizados neste trabalho, assim como a<br />
metodologia empregada para a sua redução e análise.<br />
Os resultados são apresentados e discutidos nos Capítulos 6, 7 e 8. No Capítulo 6 são<br />
apresentados e discutidos resultados referentes à comparação entre observações do ESF<br />
realizadas por diferentes técnicas. No Capítulo 7 são apresentados resultados da análise<br />
estatística de dados de cintilação coletados em São José dos Campos, de setembro de<br />
1997 à junho de 2002. No Capítulo 8 são apresentados os resultados do cálculo do CET<br />
através do uso de dados de GPS. Os valores de CET são utilizados no estudo do<br />
comportamento do CET vertical na região equatorial e de baixas latitudes e implicações<br />
na geração das irregularidades ionosféricas.<br />
As principais conclusões deste trabalho são apresentadas no Capítulo 9. No Capít ulo 10<br />
são sugeridos trabalhos futuros. Os Apêndices A e B descrevem em maiores detalhes os<br />
dados utilizados e procedimentos de análise.<br />
19
CAPÍTULO 2<br />
O SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)<br />
2.1 Introdução<br />
O Sistema de Posicionamento Global ou GPS (abreviação do inglês “Global Positioning<br />
System”) é um sistema de posicionamento ou navegação por satélite com cobertura<br />
global pelo qual um usuário pode determinar sua posição e tempo em qualquer ponto da<br />
superfície terrestre ou próxima a ela. O GPS foi desenvolvido pelo Departamento de<br />
Defesa dos Estados Unidos da América (EUA) com objetivo de ser o principal sistema<br />
de navegação das forças armadas Norte-Americanas. Com o passar dos anos e<br />
desenvolvimento da tecnologia associada, usuários civis também tiveram acesso ao<br />
GPS. Atualmente, o GPS tem sido utilizado para os mais diversos fins, como por<br />
exemplo, navegação, posicionamento geodésico, agricultura, controle de frotas, dentre<br />
outros (Monico, 2000). Apesar de originalmente ter sido desenvolvido para<br />
posicionamento na superfície, o GPS também tem sido utilizado no posicionamento de<br />
satélites de baixa órbita (Rush, 2000).<br />
O GPS consiste de três segmentos: (1) segmento espacial; (2) segmento de controle e<br />
(3) segmento usuário. O segmento espacial do GPS consiste de uma constelação de 24<br />
satélites distribuídos em 6 planos orbitais igualmente espaçados, com quatro satélites<br />
em cada plano e a uma altitude aproximada de 20.200 km. Os planos orbitais são<br />
inclinados 55 o em relação ao equador geográfico e o período orbital é de<br />
aproximadamente 12 horas siderais. Isto significa que a posição dos satélites se repete, a<br />
cada dia, com aproximadamente 4 minutos de adiantamento em relação ao dia anterior.<br />
Essa configuração garante que, no mínimo, 4 satélites estejam sempre visíveis em<br />
qualquer local da superfície terrestre. O segmento de controle rastreia cada satélite GPS<br />
e envia periodicamente ao satélite, a previsão das suas futuras posições e correções de<br />
relógio do satélite. Dentro do segmento usuário estão incluídos os usuários civis e<br />
21
militares. A Figura 2.1 mostra a ilustração de um satélite GPS e a constelação de<br />
satélites GPS em torno da Terra.<br />
(a)<br />
(b)<br />
Fig. 2.1 – (a) Ilustração de um satélite GPS e (b) da constelação de satélites GPS.<br />
FONTE: Dana (2002).<br />
2.2 Características do sinal GPS<br />
Cada satélite GPS transmite duas ondas portadoras chamadas “Link 1” e “Link 2” ou L1<br />
e L2 (Spilker Jr. e Parkinson, 1996). Estas duas portadoras são geradas simultaneamente<br />
a partir de uma freqüência fundamental de 10,23 MHz. L1 e L2 correspondem à<br />
freqüência fundamental multiplicada por 154 e 120, respectivamente. Desta forma, L1<br />
corresponde à freqüência de 1,57542 GHz, enquanto que L2 corresponde à 1,22760<br />
GHz.<br />
Além da portadora, cada satélite gera uma mensagem de navegação e um conjunto<br />
próprio de códigos, que consiste de uma seqüência pseudo-aleatória conhecida como<br />
PRN (Pseudo Random Noise) e que é modulado sobre as portadoras. Cada satélite GPS<br />
é identificado pelo seu código PRN transmitido. A modulação de códigos permite<br />
realizar medidas de distâncias a partir da estimativa do tempo de propagação da<br />
modulação. O tempo de propagação da modulação pode ser obtido por correlação<br />
22
cruzada entre o código no sinal recebido e uma réplica do código gerada no receptor<br />
GPS. Os códigos PRN consistem de uma seqüência de estados +1 e –1 que<br />
correspondem aos valores binários 0 e 1. A modulação é feita por um deslocamento de<br />
1<strong>80</strong> o na fase da portadora quando ocorre a mudança de estado (“biphase modulation”).<br />
Este processo de modulação é ilustrado na Figura 2.2.<br />
Fig. 2.2 - Ilustração da modulação do código sobre a onda portadora.<br />
FONTE: Adaptado de Hofmann-Wellenhof et al. (1994, pag. 77).<br />
Dois códigos formam a seqüência PRN: O código C/A (“Coarse/Aquisition” ou<br />
“Clear/Access”) que possui uma freqüência de 1,023 MHz e é repetido a cada<br />
milisegundo e o código P (“Precision” ou “Protection”) que possui freqüência de 10,23<br />
MHz e é repetido a aproximadamente cada 266,4 dias. Existe ainda o código W<br />
utilizado para criptografar o código P, transformando-o no código Y, não disponível aos<br />
usuários civis. A criptografia do código P só é utilizada quando o procedimento “Anti-<br />
Spoofing” (AS) é acionado. O objetivo principal do AS é evitar que o código P seja<br />
fraudado, mediante a geração de uma réplica do mesmo. Já a mensagem de navegação<br />
consiste de 1500 bits transmitidos em 30 segundos e que contém informações sobre o<br />
23
elógio do satélite, a sua órbita, suas condições operacionais e outras informações.<br />
Pode-se observar que existem três tipos de sinais envolvidos no GPS: as portadoras (L1<br />
e L2), os códigos C/A e P(Y) e a mensagem de navegação (D). Esta estrutura permite<br />
medir a fase da portadora e sua variação e o tempo de propagação da modulação.<br />
As portadoras moduladas podem ser representadas pelas seguintes equações:<br />
L1(t) = a 1 P(t) D(t) cos[ω 1 t + φ(t)] + a 1 C/A(t) D(t) sen[ω 1 t + φ(t)] (1.1)<br />
e<br />
L2(t) = a 2 P(t) D(t) cos[ω 2 t + φ(t)] (1.2)<br />
onde a i cos[ω i t + φ(t)] é a portadora não modulada, D(t) contém a mensagem de<br />
navegação, P(t) e C/A(t) representam as seqüências de pulsos dos códigos P e C/A,<br />
respectivamente. O termo a 1 C/A(t) D(t) sen[ω 1 t + φ(t)] indica que o código C/A é<br />
modulado em quadratura de fase (deslocamento de 90 o ) com o código P(t). O índice<br />
i=1,2 representa a portadora L1 ou L2, ω i é a freqüência angular da portadora e φ(t) é o<br />
ruído da fase.<br />
Todos os satélites transmitem na mesma freqüência e utilizam a técnica CDMA (“Code<br />
Division Multiple Access”) na qual cada satélite é identificado pelo seu código<br />
característico. Além disso, o sinal é espalhado em freqüência (“spread spectrum”) de<br />
forma a evitar efeitos de interferência eletromagnética.<br />
2.3 Posicionamento através do GPS<br />
A posição de um certo ponto no espaço pode ser determinada através das distâncias<br />
deste ponto até posições conhecidas no espaço. Para explicar este raciocínio, a Figura<br />
2.3(a) ilustra o caso unidimensional. Se a posição do satélite S 1 e a distância medida x 1<br />
até ele são conhecidas, a posição do usuário somente pode estar em dois pontos, um à<br />
esquerda e outro à direita, distantes x 1 de S 1 . Para se determinar a posição do usuário, a<br />
24
distância até outro satélite S 2 com posição conhecida deve ser medida. Na Figura 2.3 (a)<br />
a posição de S 2 e da distância x 2 determinam a posição do usuário U.<br />
A Figura 2.3(b) ilustra o caso bidimensional. Para determinar a posição do usuário, três<br />
satélites e três distâncias são necessárias. Conhecendo-se a posição do satélite S i e a<br />
distância x i do usuário até ele, as possíveis posições do usuário são definidas pelo traço<br />
da circunferência de raio x i ao redor da posição do satélite S i . Dois satélites e duas<br />
distâncias fornecem duas possíveis soluções já que duas circunferências se interceptam<br />
em dois pontos. Uma terceira circunferência é necessária para determinar exatamente a<br />
posição do usuário.<br />
x 1<br />
x 1 x 2<br />
S 1 U<br />
S 2<br />
(a)<br />
x 2<br />
S 2<br />
x 1<br />
S 1<br />
S 3<br />
U<br />
x 3<br />
(b)<br />
Fig. 2.3 – Posicionamento (a) unidimensional e (b) bidimensional de um usuário U.<br />
Por razões similares, quatro satélites e quatro distâncias são necessárias para o caso de<br />
posicionamento tridimensional como o realizado pelo GPS. Neste caso, conhecendo-se<br />
25
a posição do satélite S i e a distância x i do usuário até ele, as possíveis posições do<br />
usuário são definidas pela superfície da esfera de raio x i ao redor da posição do satélite<br />
S i . A intersecção de duas superfícies esféricas define uma circunferência. A intersecção<br />
desta circunferência com uma terceira superfície esférica define dois pontos. Destes dois<br />
pontos, apenas um situa-se próximo à superfície terrestre e define a posição do usuário.<br />
Um quarto satélite é necessário para corrigir a diferença de tempo entre os relógios do<br />
satélite e receptor.<br />
No GPS, as distâncias (x i ) entre os satélites e o usuário são estimadas através do tempo<br />
de propagação do sinal desde o satélite até o receptor. As posições dos satélites são<br />
conhecidas pelo usuário através das informações enviadas no sinal GPS.<br />
2.4 Receptores GPS<br />
Um receptor GPS genérico consiste das seguintes seções: (1) antena; (2) préamplificador;<br />
(3) oscilador de referência; (4) sintetizador de freqüência; (5)<br />
“downconverter”; (6) seção de freqüência intermediaria (FI); (7) processamento de<br />
sinais; e (8) processamento aplicado (Van Dierendonck, 1996).<br />
Nem todos os receptores GPS são dedicados à navegação. Alguns são dedicados à<br />
transferência de tempo ou simplesmente coletam dados. Desta forma, a última função<br />
do receptor é denominada de processamento aplicado, cobrindo um amplo conjunto de<br />
aplicações.<br />
A antena pode consistir de um ou mais elementos e eletrônica associada e pode ser ativa<br />
ou passiva, dependendo da exigência de performance. Sua função é receber os sinais<br />
GPS rejeitando sinais que sofreram multi-caminho e interferência. O multi-caminho<br />
acontece quando um sinal reflete em um obstáculo e então chega à antena.<br />
26
O pré-amplificador consiste de uma proteção, filtro e amplificador de baixo ruído. O<br />
oscilador de referência fornece a referência de tempo e freqüência para o receptor. O<br />
oscilador de referência pode ser considerado a peça principal do receptor, já que as<br />
medidas GPS são baseadas no tempo de chegada do código PRN e também na<br />
informação de fase e freqüência dos sinais GPS.<br />
A saída do oscilador de referência é utilizada no sintetizador de freqüência, do qual se<br />
derivam os osciladores locais (OL’s) e relógios utilizados pelo receptor. Um ou mais<br />
destes OL’s são utilizados pelo “downconverter” para converter as entradas de<br />
radiofreqüência (RF) em freqüências intermédias (FI) que são então processadas pela<br />
seção de FI do receptor. O objetivo da seção de FI é fornecer uma melhor filtragem do<br />
sinal e aumentar a amplitude do sinal até um nível operacional. A seção de FI pode<br />
conter também um circuito de controle automático de ganho (AGC) para controlar o<br />
nível operacional, fornecer uma faixa de amplitude operacional adequada e suprimir<br />
interferência do tipo pulso.<br />
A seção de processamento de sinal é a alma de um receptor GPS realizando funções tais<br />
como:<br />
• Distribuir o sinal nos canais para processamento simultâneo de vários satélites;<br />
• Gerar os códigos PRN de referência dos sinais de vários satélites;<br />
• Adquirir os sinais dos satélites;<br />
• Rastrear o código e portadora dentro dos sinais;<br />
• Demodular os dados dos sinais;<br />
• Extrair medidas de fase do código PRN (pseudo-distância) dos sinais;<br />
• Extrair medidas de freqüência e fase dos sinais;<br />
• Extrair informação da razão sinal-ruído (SNR) dos sinais;<br />
• dentre outras.<br />
27
As saídas da seção de processamento de sinais são as pseudo-distâncias, medidas de<br />
fase e freqüência, SNR’s, informações de cada um dos satélites rastreados, etc.. Estas<br />
saídas são então utilizadas pela seção de processamento aplicado que também controla a<br />
seção de processamento de sinais e utiliza suas saídas para realizar tarefas que variam<br />
de aplicação para aplicação. Apesar do GPS ser, em primeiro lugar, um sistema de<br />
navegação por satélite, as aplicações de um receptor GPS são diversas, como por<br />
exemplo :<br />
• Navegação;<br />
• Transferência de tempo e freqüência;<br />
• Medidas de conteúdo eletrônico total (CET);<br />
• Medidas de cintilações de fase e amplitude;<br />
• Receptores para estações diferenciais GPS (DGPS);<br />
• Monitoramento da integridade do sinal GPS;<br />
• dentre outras.<br />
A ligação comum entre estas aplicações é que elas usam as mesmas medidas, de uma<br />
forma ou de outra. Contudo, devido às diferentes exigências de largura de banda e<br />
precisão impostas para cada tipo de aplicação, os requisitos da seção de processamento<br />
de sinais também são diferentes.<br />
28
CAPÍTULO 3<br />
A IONOSFERA<br />
3.1 Introdução<br />
A ionosfera é uma região atmosférica localizada entre aproximadamente 65 e 2000 km<br />
de altitude e é caracterizada por apresentar uma alta densidade de íons e elétrons capaz<br />
de afetar a propagação de ondas de rádio. Os íons e elétrons livres na ionosfera são<br />
criados principalmente por processo de fotoionização. A fotoionização ionosférica<br />
consiste na absorção de radiação solar, predominantemente na faixa do extremo ultravioleta<br />
e raios-x, por elementos atmosféricos neutros (Rishbeth e Garriott, 1969).<br />
Quando a energia dos fótons incidentes sobre o elemento neutro é maior que o seu<br />
potencial de fotoionização, ocorre a perda de elétrons deste elemento tornando-o um íon<br />
positivo e dando origem a elétrons livres. Ionização também pode ser produzida por<br />
colisão com partículas energéticas carregadas de origem solar ou galáctica que penetram<br />
na atmosfera, mais facilmente em regiões de altas latitudes e na região da Anomalia<br />
Magnética do Atlântico Sul (AMAS).<br />
O perfil vertical típico de densidade eletrônica da ionosfera durante o dia e também<br />
durante a noite tem formas semelhantes às mostradas na Figura 3.1. Uma explicação<br />
qualitativa para a presença de um pico de ionização no perfil é o resultado do produto<br />
entre uma crescente intensidade de radiação ionizante com a altura e uma decrescente<br />
quantidade de elementos ionizáveis. A Figura 3.2 procura ilustrar a formação da<br />
ionosfera e presença de um pico de ionização. Parâmetros do perfil de densidade, tais<br />
como a altura do pico de máxima densidade, densidade máxima, conteúdo eletrônico<br />
total e vários outros parâmetros variam de acordo com vários fatores tais como hora<br />
local, latitude, estação do ano, ciclo solar, atividade magnética, dentre outros. Todos<br />
estes fatores, juntamente com características químicas da atmosfera que também<br />
29
apresentam uma alta variabilidade fazem com que o perfil não seja sempre tão simples<br />
como mostrado na Figura 3.1.<br />
<strong>80</strong>0<br />
Noite<br />
Dia<br />
Altitude (km)<br />
400<br />
200<br />
Região F<br />
100<br />
Região E<br />
Região D<br />
10 2 10 3 10 4 10 5 10 6<br />
Densidade Eletrônica (cm-3)<br />
Fig. 3.1 - Perfis verticais típicos da densidade eletrônica. No perfil noturno observa-se<br />
mais facilmente a distinção entre as regiões E e F.<br />
FONTE: Adaptado de Baumjohann e Treumann (1997, p. 63).<br />
Intensidade<br />
de Radiação<br />
Altitude<br />
Taxa de Produção<br />
Iônica<br />
Densidade<br />
Neutra<br />
Fig. 3.2 - Ilustração da formação da ionosfera.<br />
FONTE: Baumjohann e Treumann (1997, p. 58).<br />
A ionosfera pode ser dividida em 3 camadas ou regiões principais: D, E e F. A região D<br />
existe somente durante o dia e localiza-se abaixo de aproximadamente 90 km de<br />
altitude. Esta região é fracamente ionizada e não pode ser considerada um plasma<br />
30
(Baumjohann e Treumann, 1997). A ionosfera superior que compreende alturas acima<br />
de 90 km é altamente ionizada e apresenta duas regiões distintas: a região E, que<br />
apresenta um pico de ionização em torno de 120 km de altura e a região F, com um pico<br />
de ionização em torno de 300 km. A diferença entre estas duas regiões é melhor<br />
observada nos perfis noturnos, como mostra a Figura 3.1. Durante o dia, a lacuna de<br />
densidade entre a região E e a região F é parcialmente preenchida. A região F se divide<br />
em duas sub-regiões: a região F1 localizada em torno de 200 km e a região F2<br />
localizada em torno de 300 km de altura. Na ionosfera superior, além do critério de<br />
quase-neutralidade, outros requisitos são atendidos para que se considere esta porção da<br />
ionosfera como um plasma (Bittencourt, 1995; Baumjohann e Treumann, 1997). A<br />
dinâmica da região mais baixa da ionosfera (camada D) é controlada principalmente<br />
pela atmosfera neutra fazendo com que a física de plasmas não seja a abordagem mais<br />
adequada para esta porção da ionosfera (Kelley, 1989). Recentemente, observou-se uma<br />
terceira sub-camada na região F, a camada F3 cuja formação e dinâmica ainda estão<br />
sendo estudadas (Balan et al., 1997, Batista et al., 2002).<br />
3.2 Fenômenos da ionosfera equatorial e de baixas latitudes<br />
A ionosfera pode ser classificada quanto à sua região de latitude em ionosfera de altas<br />
latitudes, médias latitudes ou baixas latitudes. Na ionosfera de altas latitudes o campo<br />
magnético é aproximadamente vertical e os campos elétricos e correntes que governam<br />
o movimento horizontal do plasma ionosférico estão acoplados à magnetosfera e ao<br />
vento solar através do campo magnético terrestre. A precipitação de partículas<br />
energéticas da magnetosfera ocorre na ionosfera de altas latitudes dando origem ao<br />
fenômeno das auroras.<br />
Na ionosfera de baixas latitudes, o campo magnético é quase horizontal e o movimento<br />
vertical do plasma dá origem a instabilidades na ionosfera equatorial. Esta região<br />
também é sensível a mudanças nas correntes magnetosféricas e a distúrbios magnéticos<br />
originados em altas latitudes. Já a ionosfera de médias latitudes é uma zona de transição<br />
31
entre as ionosferas de baixas e altas latitudes e é a ionosfera que mais se aproxima dos<br />
modelos ionosféricos clássicos.<br />
Alguns fenômenos intimamente relacionados à ionosfera equatorial e de baixas latitudes<br />
são brevemente descritos nas próximas seções.<br />
3.2.1 Principio da teoria do dínamo atmosférico<br />
De acordo com Rishbet e Garriot (1969), a teoria do dínamo explica o surgimento de<br />
campos elétricos e correntes na atmosfera e seu mecanismo pode ser resumido da<br />
seguinte forma: O Sol e a Lua produzem forças de marés na atmosfera. Estas forças<br />
causam movimentos de gases neutros da atmosfera que, em primeira ordem, podem ser<br />
considerados movimentos horizontais. O movimento destes gases neutros através das<br />
linhas de campo geomagnético produzem correntes em níveis onde a condutividade<br />
elétrica é apreciável (região E). Devido às variações horizontais e verticais de<br />
condutividade, as correntes não podem fluir livremente em todas as direções. Desta<br />
forma, são geradas cargas de polarização que, por sua vez, modificam o fluxo de<br />
corrente. Os campos eletrostáticos associados com estas cargas são transmitidas à região<br />
F equatorial através das linhas de campo geomagnéticas que são altamente condutoras.<br />
Na região F, estes campos eletrostáticos dão origem às derivas eletromagnéticas (E×B).<br />
3.2.2 O pico de pré-reversão da deriva vertical E×B do plasma ionosférico<br />
O atual conhecimento sobre a variação diária da deriva zonal e vertical do plasma<br />
ionosférico equatorial (causada principalmente pela ação de campos elétricos criados<br />
pelos dínamos da região E e F) deve-se, em grande parte, às medidas de deriva que são<br />
medidas indiretas de campo elétrico. Um grande banco de dados das derivas verticais e<br />
zonais da região F foi obtida através de medidas realizadas com o radar de<br />
espalhamento incoerente de Jicamarca, no Peru. As medidas realizadas em Jicamarca<br />
32
deram origem a diversas publicações (por exemplo, Fejer et al., 1979; Fejer, 1981; Fejer<br />
et al., 1999) que reportam o comportamento da deriva vertical sob diversas condições<br />
magnéticas e solares e para diversas épocas do ano.<br />
40<br />
20<br />
Solstício de Inverno<br />
0<br />
-20<br />
1968-1971 Alta Ativ. Solar<br />
1975-1976 Baixa Ativ. Solar<br />
Deriva Vertical [m/s]<br />
-40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
-40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
Equinócio<br />
Solstício de Verão<br />
-40<br />
08<br />
12<br />
16<br />
20<br />
Hora Local<br />
24<br />
04<br />
08<br />
Fig. 3.3 - Variação sazonal da deriva vertical medida em Jicamarca (derivas positivas<br />
para cima) durante períodos de alta (1968-1971) e baixa (1975-1976)<br />
atividade solar.<br />
FONTE: Fejer (1981, p. 378).<br />
A Figura 3.3 mostra a variação média da deriva vertical do plasma ionosferico medido<br />
em Jicamarca em várias estações do ano, para condições magnéticas calmas e durante<br />
anos de atividade solar alta e baixa. A deriva é positiva (para cima) durante o dia e<br />
negativa durante a noite e é causada pela ação dos dínamos das regiões E e F (Kelley,<br />
1989). Nota-se na Figura 3.3 que existe um forte aumento da deriva vertical, logo após o<br />
pôr-do-sol. Este aumento é conhecido como pico pré-reversão do campo elétrico zonal<br />
ou da deriva vertical e é responsável por muitas peculiaridades da ionosfera equatorial.<br />
33
O pico pré-reversão pode ser explicado através da ação do vento neutro uniforme na<br />
região F, como procura ilustrar a Figura 3.4. Próximo ao terminador noite-dia, um<br />
campo elétrico E z gerado pelo dínamo da região F (-U×B) é mapeado até as regiões E<br />
conjugadas através das linhas de campo magnético dando origem a um campo elétrico<br />
E θ dirigido para o equador. Este campo elétrico gera uma corrente Hall J θφ dirigida para<br />
oeste. Como nenhuma corrente flui na região E noturna, um acúmulo de cargas<br />
negativas se desenvolve no terminador, dando origem ao campo E φ e a corrente J φφ que<br />
tenta cancelar J θφ , como mostrado na Figura 3.4. Este campo E φ é mapeado de volta à<br />
região F e causa primeiramente uma deriva E×B do plasma para cima e logo após uma<br />
deriva para baixo.<br />
Fig. 3.4 – Modelo simplificado para explicação do pico de pré-reversão causado por um<br />
vento uniforme U.<br />
FONTE: modificada de Farley et al. (1986).<br />
34
3.2.3 Anomalia Equatorial ou Anomalia de Appleton<br />
A Anomalia Equatorial ou Anomalia de Appleton consiste em uma região de alta<br />
densidade eletrônica ionosférica, observada em aproximadamente 20 graus Norte e Sul<br />
de latitude magnética. Este aumento da densidade eletrônica em baixas latitudes tem<br />
origem na deriva vertical E×B do plasma da camada F equatorial. Como visto<br />
anteriormente, o campo elétrico zonal existente na ionosfera equatorial é dirigido para<br />
leste durante o dia, criando uma deriva vertical E×B/B 2 . Logo após o pôr-do-sol, este<br />
campo elétrico dirigido para leste é acentuado (pico pré-reversão) e o plasma da região<br />
F deriva até elevadas altitudes. Enquanto isso, o plasma de baixas altitudes decai<br />
rapidamente devido à diminuição da intensidade de radiação solar incidente (Kelley,<br />
1989).<br />
Após a subida do plasma até elevadas altitudes na região equatorial, o plasma inicia um<br />
movimento de descida ao longo das linhas de campo magnético. Este movimento ocorre<br />
devido à ação da gravidade (g) e gradiente de pressão (∇p). Este fenômeno de elevação<br />
do plasma e posterior descida ao longo das linhas de campo magnético até baixas<br />
latitudes é conhecido como Efeito Fonte. Um esquema das forças agindo no plasma é<br />
ilustrado na Figura 3.5.<br />
A Figura 3.6 mostra um mapa global da distribuição densidade eletrônica ionosférica<br />
integrada, ou Conteúdo Eletrônico Total (CET) medido por GPS no qual é possível<br />
observar, entre as 21 e 24 LT, um menor valor de CET na região do equador magnético<br />
e um maior valor do CET em latitudes afastadas aproximadamente 15 graus do equador<br />
magnético.<br />
35
E x B<br />
B<br />
3 p, g 3 p, g<br />
E<br />
Equador<br />
20o N<br />
20o S<br />
Fig. 3.5 - Diagrama esquemático mostrando como o plasma é transportado da região<br />
equatorial até elevadas altitudes e subseqüentemente a aproximadamente 20 o<br />
de latitude magnética através da ação de campos elétricos e magnéticos<br />
(E×B), gravidade (g) e gradientes de pressão (∇p).<br />
FONTE: Kelley (1989, p . 193).<br />
Latitude Geográfica<br />
21/11/2001<br />
<strong>80</strong><br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
-40<br />
-60<br />
-<strong>80</strong><br />
UCET<br />
100<br />
<strong>80</strong><br />
60<br />
40<br />
20<br />
00<br />
0 3 6 9 12 15 18 21 24<br />
Receptor GPS Hora Local<br />
Fig. 3.6 – Mapa Global do Conteúdo Eletrônico Total ionosférico.<br />
FONTE: NASA (2001).<br />
36
3.2.4 O Fenômeno da camada F espalhada<br />
O fenômeno equatorial e de baixas latitudes da camada F espalhada (tradução do termo<br />
em inglês “Equatorial Spread F” - ESF) foi o nome dado ao fenômeno de espalhamento<br />
observado nos traços de ionogramas obtidos na região equatorial durante a década de 30<br />
(Booker e Wells, 1938). Com o passar dos anos, adotou-se o termo ESF como sendo o<br />
nome dado aos fenômenos de irregularidades de densidade eletrônica do plasma<br />
equatorial, observado pelos mais diversos tipos de instrumentos de sondagem<br />
ionosférica. É possível observar ESF em dados de ionossondas, radares de<br />
espalhamento coerente, sensores a bordo de foguetes ou satélites, flutuações na fase e<br />
amplitude de sinais transionosféricos (cintilação), dentre outros (ver por exemplo, Basu<br />
e Basu, 1981; Abdu et al., 1981; Abdu et al., 1991; Abdu et al., 1998; Aarons et al.,<br />
1999). Atualmente, o termo ESF está associado a um amplo espectro de irregularidades<br />
de plasma, com escalas de tamanho variando desde dezenas de centímetros até centenas<br />
de quilômetros e ocorrendo desde alturas da região F até alturas em torno de 1500 km<br />
(Fejer, 1996). Cada instrumento ou técnica é sensível a uma determinada escala de<br />
tamanho ou faixa de escalas.<br />
Dungey (1956) foi o primeiro a propor a instabilidade gravitacional Rayleigh-Taylor<br />
(RT) como processo gerador do ESF. Outras teorias também foram apresentadas nas<br />
décadas de 50 e 60. Contudo, Farley et al. (1970) concluíram, a partir das primeiras<br />
medidas realizadas pelo Rádio Observatório de Jicamarca, que nenhuma teoria até então<br />
poderia explicar os dados obtidos. Com isto, a Teoria RT juntamente com todas as<br />
outras teorias apresentadas até então foram temporariamente rejeitadas, pois estas<br />
teorias podiam explicar apenas a geração de estruturas na porção inferior do perfil de<br />
densidade de plasma da camada F. Com os passar dos anos, novos estudos foram<br />
realizados e uma maior quantidade e qualidade de dados foram obtidos de forma que a<br />
Teoria RT foi aprimorada e generalizada, incluindo parâmetros do ambiente ionosférico,<br />
tais como campo elétrico ambiente (E) e a ação de ventos neutros (U) e com isto, muitas<br />
37
das características do ESF podem agora ser explicadas pela denominada teoria RT<br />
generalizada (GRT).<br />
A Figura 3.7 (a) ilustra um perfil vertical típico da ionosfera equatorial para o período<br />
do pôr-do-sol. É possível observar um acentuado gradiente de densidade na porção<br />
inferior da camada F separando duas regiões distintas: uma de baixa densidade e outra<br />
de alta densidade, localizadas respectivamente abaixo e acima de aproximadamente 300<br />
km de altura. Em termos didáticos faz-se uma analogia deste perfil com o caso da<br />
instabilidade hidrodinâmica RT, no qual um fluido mais denso é sustentado por um<br />
fluido menos denso como mostrado na Figura 3.7 (b). Na instabilidade hidrodinâmica<br />
RT uma pequena perturbação surge na superfície de contato dos dois fluidos e com o<br />
auxílio da gravidade, esta perturbação evolui até que o fluido menos denso tende a se<br />
elevar enquanto que o fluido mais denso desce como ilustrado na Figura 3.7 (c).<br />
Contudo, o processo de instabilidade RT generalizada o qual se aplica à ionosfera não é<br />
tão simples como ilustra a Figura 3.7. Processos eletrodinâmicos intrínsecos da<br />
ionosfera equatorial e de médias latitudes, assim como efeitos de acoplamento<br />
ionosfera-magnetosfera em altas latitudes controlam o processo de geração e evolução<br />
das irregularidades ionosféricas (Fejer, 1996, Aarons, 1991). Além disto, irregularidades<br />
de larga-escala quando evoluem através da região F podem gerar ainda, irregularidades<br />
secundárias em uma larga faixa de escalas de tamanho. A geração de irregularidades<br />
secundárias ocorre através de processos não lineares nas bordas das irregularidades de<br />
maior escala (Fejer, 1996).<br />
38
500<br />
400<br />
Altitude (km)<br />
300<br />
200<br />
100<br />
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5<br />
Densidade Eletrônica (cm - 3 )<br />
(a) (b) (c)<br />
Fig. 3.7 - (a) Perfil vertical ionosférico típico para a região equatorial com um<br />
acentuado gradiente de densidade em torno de 300 km de altura. (b)<br />
Analogia do perfil mostrado em (a) com o caso de um fluido denso sendo<br />
suportado por um fluido de menor densidade e (c) ilustração da evolução da<br />
instabilidade hidrodinâmica RT.<br />
FONTE: Kelley (1989, p. 76 e 122).<br />
Medidas de satélites e foguetes através de regiões de ESF mostram acentuadas<br />
depleções de plasma, chamadas de bolhas ionosféricas, com altos valores de campo<br />
elétrico zonal no seu interior. Radares de espalhamento coerente associam estas regiões<br />
de depleção do plasma com estruturas chamadas de plumas. Estas plumas apresentam<br />
uma subida rápida e a presença de fortes ecos oriundos de irregularidades com escala de<br />
alguns metros no seu interior. O ESF observado em ionogramas equatoriais representam<br />
irregularidades na porção inferior da camada F que podem estar associadas ou não a<br />
bolhas ionosféricas que evoluem até a porção superior da ionosfera. Em contrapartida, o<br />
ESF observado em ionogramas de baixas latitudes são indicativos de irregularidades<br />
imersas em bolhas ionosféricas (Abdu et al., 1983a).<br />
Acredita-se que as condições necessárias para a ocorrência de irregularidades de largaescala<br />
são: 1) presença de uma perturbação inicial de larga-escala, 2) um gradiente<br />
direcionado para cima, do perfil de densidade eletrônica da ionosfera e 3) um aumento<br />
39
do campo elétrico para leste. O início do ESF pode também ser afetado por perturbações<br />
de campo elétrico originadas em altas latitudes durante condições magneticamente<br />
perturbadas. Existem ainda vários processos tais como ventos neutros meridionais e<br />
condutividade das camadas E conjugadas, que podem inibir o crescimento das<br />
irregularidades. O grande número de efeitos potencialmente importantes faz com que os<br />
termos de variabilidade dia-a-dia constituam os problemas a serem melhor analisados<br />
no estudo do ESF (Fejer, 1996; Batista et al., 1999; Abdu, 2001). A questão é descobrir<br />
se o desenvolvimento do ESF é determinado principalmente pela presença de um<br />
mecanismo de “disparo” altamente variável ou se este mecanismo está sempre presente<br />
e a variabilidade de curto período é predominantemente controlada pela taxa de<br />
crescimento da instabilidade RT generalizada (Fejer et al., 1999; Abdu., 2001) que será<br />
introduzida a seguir.<br />
Considerando-se um ambiente que possua duas regiões com densidades de plasma<br />
distintas, uma região mais elevada com densidade N 1 e uma outra região localizada logo<br />
abaixo com densidade N 2 = 0 e, considerando-se uma perturbação senoidal inicial de<br />
densidade ou de campo elétrico que origina-se na interface entre as duas regiões é<br />
possível obter-se uma relação de dispersão para tal perturbação. A partir da relação de<br />
dispersão, deriva-se então a taxa de crescimento (γ) que fornece uma estimativa do quão<br />
favorável são as condições para o desenvolvimento da instabilidade e o quão rápido esta<br />
instabilidade pode evoluir.<br />
Uma demonstração acadêmica da derivação algébrica da taxa de crescimento para uma<br />
instabilidade RT em um plasma sem colisões e considerando-se apenas a ação externa<br />
da força gravitacional é dada por Chen (1974). Kelley (1989) explica em detalhes a<br />
derivação da taxa de crescimento linear local para a instabilidade RT com uma visão<br />
voltada ao plasma ionosférico equatorial. Existem ainda trabalhos com uma abordagem<br />
matemática mais completa voltada à modelagem da instabilidade RT, como por<br />
exemplo, Sultan (1996). A taxa de crescimento generalizada deve incluir efeitos tais<br />
40
como do campo elétrico ambiente (E) e da ação de ventos neutros (U), além da força<br />
resultante da aceleração gravitacional (g).<br />
Segundo Abdu (2001), a forma mais simples de descrever a taxa de crescimento γ, com<br />
base em quantidades locais e assumindo condutividade nula em baixas altitudes é dada<br />
por:<br />
∇n<br />
⎛<br />
γ = ⎜<br />
n<br />
⎝<br />
E<br />
B<br />
g<br />
+<br />
νin<br />
⎞<br />
⎟<br />
− βL<br />
⎠<br />
(3.1)<br />
onde E é o campo elétrico zonal ambiente, B é a intensidade de campo magnético, g é a<br />
aceleração da gravidade, ν in é a freqüência de colisão íon-neutro, n é densidade<br />
eletrônica ambiente, ∇n representa o gradiente vertical de densidade (dn/dz) e β L é a<br />
taxa de recombinação da espécie iônica majoritária.<br />
Contudo, a taxa de crescimento da instabilidade RT é melhor definida quando descrita<br />
em termos de quantidades integradas ao longo das linhas de campo, ou tubo de fluxo.<br />
Mendillo et al. (2001), por exemplo, apresenta γ como sendo:<br />
⎛<br />
γ = ⎜<br />
⎜ E,<br />
N<br />
⎝ ∑P<br />
F<br />
∑P<br />
+ F<br />
∑P<br />
+ E,<br />
S<br />
∑P<br />
⎞ ⎡ ρ ρ<br />
E B g<br />
⎤<br />
⎢<br />
× ρ<br />
ρ<br />
⎟<br />
∇n<br />
−U<br />
⎥<br />
2 m − ⋅<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎢ B ν in ⎥ n<br />
⎣<br />
⎦<br />
(3.2)<br />
A equação (3.2) indica que, em princípio, dada uma perturbação inicial, o fator principal<br />
de aumento de γ é um campo elétrico zonal (E) que eleva a camada F até regiões de<br />
baixa freqüência de colisão (ν in ). Além disto, fatores que podem reduzir γ são ventos<br />
transequatoriais (U m ) ou o aparecimento de uma camada E após o pôr-do-sol que<br />
reduziria a condutividade Pedersen da camada F ( ∑ ) com relação à condutividade<br />
F<br />
P<br />
41
E , N F E,<br />
S<br />
integrada total ( ∑<br />
P<br />
+∑P<br />
+ ∑P<br />
), que é a somatória da condutividade Pedersen da<br />
F<br />
camada F equatorial integrada ao longo da linha de campo magnético ( ∑ P ) e da<br />
E,<br />
S E,<br />
N<br />
condutividade Pedersen das camadas E conjugadas ( ∑<br />
P e ∑<br />
P ), também integradas<br />
ao longo da linha de campo magnético.<br />
42
CAPÍTULO 4<br />
EFEITOS DA IONOSFERA EM SINAIS GPS<br />
Para o estudo das irregularidades ionosféricas, serão utilizados dois efeitos ionosféricos<br />
sobre ondas eletromagnéticas: a cintilação e a refração. A ocorrência de cintilação em<br />
um sinal transionosférico é um indicador da presença de irregularidades ionosféricas na<br />
linha de visada deste sinal, enquanto que, a partir do efeito de refração sobre estes sinais<br />
é possível obter-se o Conteúdo Eletrônico Total (CET) ao longo do caminho percorrido<br />
pelo sinal.<br />
4.1 Cintilações ionosféricas<br />
Em 1946 foram observadas, pela primeira vez, flutuações irregulares de curto período<br />
de tempo na intensidade da radiação na banda de rádio (64 MHz) emitida pela estrela<br />
Cygnus (Hey et al; 1946). Inicialmente, considerou-se que as flutuações eram inerentes<br />
à fonte de emissão. Observações posteriores indicaram que não existia correlação entre<br />
flutuações registradas em duas estações espaçadas 210 km, enquanto que observou-se<br />
boa correlação para uma separação de 4 km. Isto sugeriu que o fenômeno seria<br />
produzido localmente, provavelmente pela atmosfera terrestre. Observações<br />
subseqüentes confirmaram as especulações e isto marcou a primeira observação do<br />
fenômeno de cintilação ionosférica. Atualmente, as cintilações podem ser definidas<br />
como flutuações da amplitude ou fase de uma onda de rádio, resultado da sua<br />
propagação através de uma região na qual existem irregularidades de densidade<br />
eletrônica, e conseqüentemente de índice de refração.<br />
Após o lançamento do primeiro satélite artificial em 1957, tornou-se possível observar<br />
cintilações ionosféricas em sinais emitidos por rádio-transmissores a bordo de satélites.<br />
O interesse no estudo deste fenômeno tem continuado com dois objetivos principais, um<br />
43
científico e outro prático. Do ponto de vista científico, os dados de cintilação fornecem<br />
informações sobre a ocorrência das irregularidades ionosféricas, cuja climatologia ainda<br />
não é totalmente compreendida. Do ponto vista prático, o estudo da cintilação está<br />
diretamente relacionado a problemas de estabilidade de enlaces de comunicação e<br />
navegação por satélite.<br />
O estudo de teorias que explicassem as cintilações iniciou com a consideração de que o<br />
meio pelo qual o sinal de rádio se propaga seria equivalente à uma tela de difração<br />
(“diffracting screen”) com irregularidades aleatórias de densidade que não se deformam<br />
e que se movem com direção e velocidade fixas. Se a região de difração é<br />
suficientemente fina, as variações na frente de onda emergente estarão presentes<br />
somente na fase e não na amplitude do sinal. À medida em que a onda se propaga além<br />
da região de difração, as flutuações em amplitude começam então a surgir.<br />
Inicialmente, esta aproximação foi utilizada em diversos casos tais como os de uma tela<br />
de difração unidimensional e de uma tela de difração bidimensional. Logo em seguida,<br />
considerou-se o caso de uma tela de difração espessa tri-dimensional. Referências de<br />
trabalhos que consideraram diferentes aproximações para a tela de difração podem ser<br />
encontradas no Apêndice A de Kelley (1989). Os casos prévios foram então revistos por<br />
Salpeter (1967) que estendeu a teoria a importantes regimes que não haviam sido<br />
considerados e derivou condições suficientes para validação da aproximação de uma<br />
tela fina de difração (“thin phase screen”).<br />
Para o caso de espalhamento fraco causado por uma tela fina de difração, o espectro de<br />
potência das flutuações de densidade deve ser multiplicado por uma função que depende<br />
da altura da camada de irregularidades e da freqüência da onda incidente o que<br />
produziria o espectro de potência das cintilações observadas. Sob estas aproximações, o<br />
espectro de potência da cintilação é uma versão linearmente filtrada do espetro de<br />
potência das flutuações de densidade. A função multiplicadora, conhecida como filtro<br />
de Fresnel age como um filtro passa alta (Kelley, 1989) e apresenta mínimos em pontos<br />
44
proporcionais à raiz quadrada de números inteiros de freqüência. Recentemente,<br />
Bhattacharyya et al. (2001) encontrou tais mínimos de Fresnel, em espectros de<br />
potência de cintilações em sinais VHF. Os mínimos de Fresnel não são observados<br />
quando a camada de irregularidades é espessa.<br />
Para uma ampla revisão matemática da teoria de cintilações, aconselha-se consultar Yeh<br />
e Liu (1982). Uma revisão sobre o estudo das cintilações com enfoque à sua aplicação<br />
no estudo das irregularidades ionosféricas pode ser encontrada em Aarons (1982). É<br />
importante salientar que a maioria das teorias consideram apenas o caso de<br />
espalhamento fraco. Teorias para explicar matematicamente o caso de espalhamento<br />
forte ainda estão em desenvolvimento.<br />
Nas próximas seções será dado enfoque à relação entre a magnitude das cintilações,<br />
representadas pelo índice S 4 , utilizado nesta dissertação, e parâmetros físicos das<br />
irregularidades que causam as cintilações.<br />
4.1.1 O Índice de cintilação (S 4 )<br />
O índice de cintilação S 4 tem sido amplamente utilizado para quantificar a magnitude<br />
das cintilações em amplitude de sinais transionosféricos e é definido em termos da<br />
intensidade (I) do sinal recebido, como mostra a Equação (4.1), (Yeh e Liu, 1982):<br />
2<br />
S<br />
4<br />
=<br />
2<br />
< I > − 2<br />
< I ><br />
2<br />
< I ><br />
(4.1)<br />
É possível mostrar, a partir da Teoria para Cintilação Fraca, que o índice S 4 está<br />
relacionado ao desvio de densidade do plasma ionosférico (∆N) ao longo do caminho de<br />
propagação do sinal e à espessura da camada de irregularidades ionosféricas (L), pela<br />
seguinte expressão (Yeh e Liu, 1982):<br />
45
⎡ ⎛ 2 ⎞ ⎛ 2 ⎞⎤<br />
2 2 2 2 2k ⊥ ⊥<br />
∫∫⎢<br />
⎜ k L ⎟ ⎜ k ⎛ L ⎞<br />
S<br />
⎜ − ⎟⎟<br />
4 ≅ 8π<br />
re<br />
λ L 1−<br />
sen cos k ⎥ Φ∆<br />
⎢ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ N ,<br />
2<br />
⎣ k⊥L<br />
⎝<br />
2k<br />
⎠ ⎝<br />
k ⎝ 2 ⎠⎠⎥⎦<br />
ρ<br />
2<br />
( k⊥<br />
0) d k⊥<br />
(4.2)<br />
onde r e é o raio do elétron, λ é o comprimento de onda do sinal e ( k 0)<br />
Φ ρ é o<br />
∆N ⊥<br />
,<br />
espectro tridimensional da flutuação de densidade ∆N com k z = 0 e k ⊥ está na direção<br />
perpendicular à propagação da onda. A integral na Equação (4.2) indica que a<br />
contribuição para a cintilação, das irregularidades de diversos números de onda (k), é<br />
ponderada por uma função filtro espacial, isto é, a expressão em colchetes na Equação<br />
(4.2).<br />
A Equação (4.2) não é facilmente interpretável e trabalhos de modelagem das<br />
cintilações, como o realizado por Basu e Basu (19<strong>80</strong>) apresentam equações mais<br />
simples nas quais, tanto as cintilações em amplitude quanto em fase são expressas em<br />
quantidades que podem ser obtidas experimentalmente. Contudo, apesar de explicar<br />
muitas das características das cintilações, estas equações não podem explicar fenômenos<br />
mais complexos observados e, por esta razão, modelos computacionais têm sido<br />
desenvolvidos (por exemplo, Fremouw e Secan, 1984; Secan et al., 1995). Fremouw e<br />
Secan (1984) já incluem o efeito de foco que ocorre nas cintilações e que dá origem a<br />
valores de S 4 > 1 (Singleton, 1970).<br />
A Equação (4.3) abaixo foi utilizada por Basu e Basu (19<strong>80</strong>) para modelagem das<br />
cintilações equatoriais e inclui os principais parâmetros responsáveis pela cintilação em<br />
amplitude.<br />
2 2 2<br />
2 ?zsec?<br />
S4 = 8 p (re?)<br />
L sec? < ?N > k oF<br />
4p<br />
(4.3)<br />
46
Além da dependência do S 4 com relação ao desvio RMS médio (∆N) de densidade ao<br />
longo do caminho de propagação do sinal e com relação à espessura da camada de<br />
irregularidades (L), Basu e Basu (19<strong>80</strong>) também deixaram evidente a dependência do<br />
índice S 4 com relação à altura (z) da camada, ao ângulo de zênite (θ) do sinal na altura<br />
da camada de irregularidades e ao comprimento de onda do sinal (λ). F é um fator<br />
relacionado à geometria das irregularidades e k o se refere ao menor número de onda que<br />
contribui para a cintilação.<br />
De acordo com Kintner et al. (2001), a magnitude da cintilação depende da distribuição<br />
espacial e da amplitude das irregularidades de densidade. Contudo, a escala de tempo do<br />
desvanecimento (“fading”) depende da velocidade das irregularidades e de uma escala<br />
espacial conhecida como comprimento de Fresnel, o qual, em primeira ordem, depende<br />
somente do comprimento de onda do sinal GPS e da distância às irregularidades<br />
ionosféricas. A escala de Fresnel tem origem no filtro de Fresnel citado anteriormente<br />
(Seção 4.1).<br />
De acordo com Salpeter (1967), para o caso de espalhamento fraco, o espectro de<br />
potência horizontal da intensidade do sinal tem a seguinte forma:<br />
f 1 (k) = 4F f<br />
(k) sin<br />
⎛ 2 2 ⎞<br />
2⎜<br />
k rF<br />
⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝<br />
4p<br />
⎠<br />
(4.4)<br />
onde k é o número de onda horizontal, r F é o comprimento de Fresnel ( r F<br />
= ?d<br />
, onde<br />
d é a distância até a camada espalhadora e λ é o comprimento de onda do sinal), e<br />
F f<br />
(k) é a densidade espectral de potência das irregularidades que causam o<br />
espalhamento. Tipicamente,<br />
F f<br />
(k) decresce rapidamente com o aumento de k (Basu e<br />
Basu, 1993), de forma que o primeiro máximo na função sin 2 domina o espectro de<br />
47
potência. Isto significa que o espectro de potência mostrará um número de onda<br />
dominante dado por:<br />
k =<br />
2p<br />
r F<br />
(4.5)<br />
Ou,<br />
λ = 2<br />
(4.6a)<br />
F<br />
r F<br />
Mas como<br />
r F<br />
= λd<br />
, tem-se que:<br />
λ = 2λd<br />
(4.6b)<br />
F<br />
Considerando que a camada de irregularidades se encontra a uma distância d = 350 km<br />
e que o satélite encontra-se no zênite, pode-se dizer que as irregularidades que mais<br />
contribuem para a cintilação em sinais GPS (L1 = 1,57542 GHz) são as irregularidades<br />
com escalas de tamanho de aproximadamente λ F = 400 metros.<br />
4.1.2 O Índice S 4 calculado pelos receptores SCINTMON<br />
De acordo com Beach (1998), o procedimento computacional para o cálculo do S 4<br />
realizado pelo programa de redução de dados dos receptores SCINTMON, que serão<br />
realizados neste estudo, pode ser resumido da seguinte forma: utiliza-se um filtro passabaixas<br />
com freqüência de corte em 0,1 Hz, de modo a obterem-se valores médios locais<br />
do canal de potência em banda larga P k e do canal de ruído em banda larga N k , onde k é<br />
o número da amostra numérica. Estes valores filtrados de P k e N k são denotados por<br />
k e k , respectivamente. Definiu-se então a variância da intensidade de sinal para<br />
o intervalo de um minuto a partir de:<br />
48
σˆ<br />
2<br />
=<br />
1<br />
M<br />
M<br />
( P − < P > )( P − < P )<br />
∑ ><br />
k = 1<br />
k<br />
k<br />
k −1<br />
k−1<br />
(4.7)<br />
Onde M = 3000 é o número de amostras por minuto enquanto que P 0 e < P 0 > são<br />
definidos como os valores finais de potência e potência média do intervalo de 1 minuto<br />
anterior. Além disso, determina-se a potência média sobre o mesmo período a partir de:<br />
Ŝ =<br />
1<br />
M<br />
M<br />
( < P > − < N )<br />
∑ ><br />
k=<br />
1<br />
k<br />
k<br />
(4.8)<br />
A partir destas definições o índice de cintilação para o devido intervalo de 1 minuto<br />
torna-se (Beach, 1998):<br />
S<br />
4<br />
=<br />
ˆ 2<br />
σ<br />
Sˆ<br />
(4.9)<br />
Pode-se observar pela Equação (4.9) que o índice S 4 também pode ser interpretado<br />
como o desvio padrão normalizado pela potência média do sinal. A Figura 4.1 mostra<br />
um exemplo de sinal amostrado por um receptor SCINTMON e os valores de S 4<br />
calculados para este caso. Observa-se que os valores de S 4 aumentam à medida em que<br />
a flutuação do sinal (cintilação) também aumenta. O índice S 4 apresentado neste<br />
exemplo foi calculado por um dos receptores SCINTMON utilizados neste trabalho e<br />
que serão descritos posteriormente.<br />
49
WBP(dB)<br />
27/12/2000 - PRN 27 São Luís<br />
44<br />
42<br />
40<br />
38<br />
36<br />
34<br />
32<br />
30<br />
28<br />
1,0<br />
0,8<br />
S4<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0,0<br />
21 22 23 24 25 26 27 28 29<br />
Hora Universal<br />
Fig. 4.1 - Exemplo de cintilação e correspondentes valores de S 4 calculados para<br />
intervalos de 1 minuto.<br />
4.1.3 Morfologia global das cintilações<br />
De acordo com Aarons (1982) e Basu et al. (1988), existem três regiões principais de<br />
ocorrência das cintilações, como ilustra o diagrama da Figura 4.2. A primeira região é a<br />
região equatorial no período após o pôr-do-sol. A segunda região compreende o lado<br />
noturno da região da oval auroral e o lado diurno do vértice polar (“polar cusp”). Por<br />
fim, a terceira região corresponde à região mais interna da calota polar. Nesta região, é<br />
possível observar cintilações em qualquer hora local.<br />
As regiões de maior intensidade das cintilações correspondem as regiões de pico (norte<br />
e sul) da anomalia equatorial, localizadas a aproximadamente +20 o e –20 o de latitude<br />
magnética. A geração das irregularidades equatoriais (ESF) e a ocorrência de um<br />
máximo secundário de ionização durante o período após o pôr-do-sol se combinam de<br />
forma a resultar o máximo na atividade de cintilação nesta região. A cintilação em<br />
sinais na faixa de GHz é mais fraca no equador magnético (Basu et al., 1988).<br />
50
As cintilações em altas latitudes também são mais fracas que as cintilações observadas<br />
na Anomalia Equatorial. A região da calota polar é mais ativa em termos de cintilação<br />
do que a região da oval auroral. As cintilações observadas no equador magnético são<br />
causadas por irregularidades de plasma ionosférico geradas por processos de<br />
instabilidade RT. Na região da calota polar, as principais fontes de cintilação são a<br />
convecção de estruturas de plasma geradas no lado diurno do vértice polar e a<br />
ocorrência de irregularidades de plasma geradas por processos relacionados à<br />
precipitação de partículas. Na região da oval auroral noturna, a atividade de cintilações<br />
é mais forte que na calota polar.<br />
A Figura 4.2(b) representa a atividade de cintilações em sinais da Banda L durante os<br />
anos de atividade solar mínima. Durante o mínimo solar ilustrado na Figura 4.2(b),<br />
observa-se uma drástica redução da intensidade das cintilações em todas as regiões. A<br />
extensão latitudinal das cintilações também é reduzida. Segundo Basu et al. (1988) a<br />
variação da densidade eletrônica ambiente com fluxo solar é o principal fator<br />
controlador da atividade de cintilações em todas as regiões.<br />
Máximo Solar<br />
Banda L<br />
20 dB<br />
15 dB<br />
10 dB<br />
5 dB<br />
2 dB<br />
1 dB<br />
Mínimo Solar<br />
Meio-Dia<br />
18<br />
Meia-Noite<br />
Meio-Dia<br />
18<br />
Meia-Noite<br />
(a) (b)<br />
Fig. 4.2 - Morfologia global das cintilações em sinais da Banda L durante anos de solar<br />
máximo (a) e mínimo (b).<br />
Fonte: Basu et al. (1988, p. 376).<br />
51
4.2 Refração ionosférica<br />
Considerando uma onda eletromagnética monocromática no espaço com comprimento<br />
de onda λ e freqüência f, a velocidade de fase é dada por:<br />
υ f = λf<br />
(4.10)<br />
Para o GPS, as portadoras L1 e L2 se propagam com esta velocidade. Para um grupo de<br />
ondas com freqüências pouco diferentes, a propagação da energia resultante é definida<br />
pela velocidade de grupo dada por:<br />
υ g<br />
df 2<br />
= − λ<br />
dλ<br />
(4.11)<br />
Esta é a velocidade de propagação dos códigos apresentados no Capítulo 2 e que são<br />
modulados sobre as portadoras L1 e L2 do GPS. A relação entre velocidade de fase e<br />
velocidade de grupo pode ser obtida através da diferencial total da Equação (4.10)<br />
resultando em:<br />
d f<br />
υ = fdλ + λdf<br />
(4.12)<br />
A Equação (4.12) pode ser escrita da seguinte forma:<br />
df 1 dυ<br />
= f<br />
dλ<br />
λ dλ<br />
f<br />
−<br />
λ<br />
(4.13)<br />
Substituindo a Equação (4.13) na Equação (4.11) tem-se:<br />
52
υg<br />
dυ<br />
= −λ f<br />
dλ<br />
+ f λ<br />
(4.14)<br />
ou finalmente, a equação de Rayleigh:<br />
υ<br />
g<br />
= υ<br />
f<br />
dυ<br />
− λ f<br />
dλ<br />
(4.15)<br />
A diferenciação na Equação (4.14) implicitamente contém a dispersão, que é definida<br />
como a dependência da velocidade de fase em relação ao comprimento de onda ou<br />
freqüência. Velocidade de fase e grupo são iguais em um meio não dispersivo e<br />
correspondem à velocidade da luz no vácuo. A propagação de ondas em um meio<br />
depende do índice de refração n. Geralmente, a velocidade de propagação é obtida de:<br />
c<br />
υ =<br />
n<br />
(4.16)<br />
Aplicando esta expressão à velocidade de fase e grupo é possível obterem-se fórmulas<br />
para os respectivos índices de refração, n f e n g :<br />
υ f<br />
=<br />
c<br />
nf<br />
(4.17)<br />
υ g<br />
=<br />
c<br />
ng<br />
(4.18)<br />
A diferenciação da velocidade de fase com respeito a λ resulta em:<br />
53
dυf c dnf<br />
(4.19)<br />
= −<br />
dλ<br />
2<br />
n dλ<br />
f<br />
A substituição das equações (4.17), (4.18) e (4.19) na Equação (4.15) resulta em:<br />
c<br />
n<br />
g<br />
=<br />
c<br />
n<br />
f<br />
c<br />
+ λ<br />
n<br />
2<br />
f<br />
dn f<br />
dλ<br />
(4.20)<br />
ou<br />
c<br />
ng<br />
=<br />
c<br />
n f<br />
⎛<br />
⎜1<br />
+ λ<br />
⎝<br />
1<br />
nf<br />
dn f<br />
dλ<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
(4.21)<br />
A Equação (4.21) pode ser modificada resultando em:<br />
n<br />
g<br />
= n<br />
f<br />
⎛<br />
⎜1− λ<br />
⎝<br />
1<br />
n<br />
f<br />
dn f<br />
dλ<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
(4.22)<br />
onde aplicou-se a aproximação (1 + ε) -1 = 1-ε. Desta forma:<br />
n<br />
g<br />
= n<br />
f<br />
dn f<br />
− λ<br />
dλ<br />
(4.23)<br />
A Equação (4.23) é a equação modificada de Rayleigh. Um forma um pouco diferente é<br />
obtida diferenciando a relação c = λf com respeito à λ e f, ou seja:<br />
dλ df<br />
(4.24)<br />
= −<br />
λ f<br />
54
e substituindo o resultado na Equação (4.23):<br />
n g = n f + f<br />
dn<br />
df<br />
f<br />
(4.25)<br />
Como citado anteriormente, a ionosfera pode ser considerada um meio dispersivo para o<br />
sinal GPS. De acordo com Seeber (1993), citado por Hoffman-Wellenhof et al. (1994),<br />
o índice de refração de fase pode ser aproximado pela série:<br />
n f<br />
c 2<br />
= 1+<br />
2<br />
f<br />
c3<br />
+<br />
3<br />
f<br />
c4<br />
+<br />
4<br />
f<br />
+ ...<br />
(4.26)<br />
Os coeficientes c 2 , c 3 e c 4 não dependem da freqüência mas do número de elétrons por<br />
m 3 (densidade eletrônica N e ) ao longo do caminho de propagação. Utilizando uma<br />
aproximação na qual é ignorada a expansão após o termo quadrático:<br />
c<br />
n 2<br />
f = 1+<br />
2<br />
f<br />
(4.27)<br />
e diferenciando esta equação:<br />
dn f<br />
c2<br />
= −2<br />
df<br />
3<br />
f<br />
(4.28)<br />
Substituindo as equações (4.27) e (4.28) na Equação (4.25) resulta em:<br />
n g<br />
c<br />
= 1+<br />
2<br />
2<br />
f<br />
− f<br />
2c2<br />
3<br />
f<br />
(4.29)<br />
Ou<br />
55
n g<br />
c 2<br />
= 1 −<br />
2<br />
f<br />
(4.30)<br />
Pode-se observar pelas equações (4.27) e (4.30) que os índices de refração de grupo e de<br />
fase diferem da unidade com sinal oposto. O coeficiente c 2 , que depende da densidade<br />
de elétrons N e , é dado por:<br />
c 2 = −40,<br />
3N e [Hz 2 ] (4.31)<br />
A relação n g > n f e conseqüentemente υ g < υ f ocorre porque a densidade N e é sempre um<br />
valor maior ou igual a zero. Como conseqüência das diferentes velocidades ocorre um<br />
atraso de grupo e avanço de fase, ou seja, o código GPS é atrasado e as fases das<br />
portadoras são avançadas. Então, as distâncias obtidas a partir de medidas do código são<br />
mais longas e as distâncias obtidas a partir de medidas de fase são mais curtas que a<br />
distância geométrica entre o satélite e o receptor. As distâncias obtidas a partir de<br />
medidas de código ou fase são chamadas pseudo-distâncias pois diferem da distância<br />
real.<br />
De acordo com o princípio de Fermat, a distância medida “s” é definida por:<br />
s = ∫ nds<br />
(4.32)<br />
onde a integral precisa ser calculada ao longo do caminho do sinal. A distância<br />
geométrica s o ao longo da linha reta entre o satélite e o receptor pode ser obtida<br />
analogamente ajustando n = 1:<br />
s o = ∫ dso<br />
(4.33)<br />
56
A diferença ∆ IONO entre a distância medida e a distância geométrica é chamado de<br />
refração ionosférica e corresponde à:<br />
∆<br />
IONO<br />
=<br />
nds ∫<br />
− ∫<br />
ds<br />
o<br />
(4.34)<br />
e pode ser rescrita para um índice de refração de fase n f como:<br />
∆<br />
IONO<br />
f<br />
⎛ c ⎞ = ∫ ⎜1<br />
+ 2 ⎟ds<br />
−<br />
2 ∫<br />
⎝ f ⎠<br />
dso<br />
(4.35)<br />
e para o índice de refração de grupo n g como:<br />
∆<br />
IONO<br />
g<br />
⎛ c ⎞ = ∫ ⎜1<br />
− 2 ⎟ds<br />
−<br />
2 ∫ds<br />
o<br />
⎝ f ⎠<br />
(4.36)<br />
Uma simplificação é obtida quando a integração do primeiro termo das equações (4.35)<br />
e (4.36) é realizada ao longo do caminho geométrico. Neste caso ds torna-se ds o e as<br />
equações (4.35) e (4.36) reduzem à:<br />
e<br />
IONO<br />
∆ f<br />
IONO<br />
∆ g<br />
c 2<br />
(4.37)<br />
= ∫ ds<br />
2 o<br />
f<br />
c 2<br />
(4.38)<br />
= −∫ ds<br />
2 o<br />
f<br />
As equações (4.37) e (4.38) podem ser escritas como:<br />
57
e<br />
IONO<br />
∆<br />
f<br />
IONO<br />
∆ g<br />
40, 3<br />
(4.39)<br />
= −<br />
2 ∫ N eds<br />
o<br />
f<br />
40, 3<br />
(4.40)<br />
=<br />
2 ∫ N eds<br />
o<br />
f<br />
onde a Equação (4.31) foi substituída. Definindo o Conteúdo Eletrônico Total (CET)<br />
como:<br />
CET<br />
= ∫ N e ds o<br />
(4.41)<br />
e substituindo esta definição nas equações (4.39) e (4.40) resulta em:<br />
e<br />
IONO 40,<br />
3<br />
∆ = − CET<br />
f<br />
2<br />
f<br />
IONO 40,<br />
3<br />
∆ g = CET<br />
2<br />
f<br />
(4.42)<br />
(4.43)<br />
4.2.1 Determinação do CET a partir de medidas de código<br />
Além da refração ionosférica, outros fatores também afetam as medidas de pseudo–<br />
distância ou observáveis do GPS. A Tabela 4.1 apresenta uma lista destes fatores<br />
associados ao satélite, propagação do sinal e receptor (Fedrizzi, 1999). Maiores detalhes<br />
sobre estes fatores podem ser encontrados em Hofmann-Wellenhof et al. (1994) e<br />
Monico (2000).<br />
58
Tabela 4.1 – Principais fatores que afetam as observáveis do GPS.<br />
FONTES<br />
Satélite<br />
Propagação do Sinal<br />
Receptor<br />
EFEITOS<br />
Erro no relógio do satélite<br />
Erro orbital<br />
Atraso instrumental<br />
Refração ionosférica<br />
Refração troposférica<br />
Múltiplo caminho<br />
Perdas de ciclo<br />
Erro no relógio do receptor<br />
Centro de fase da antena<br />
Atraso instrumental do receptor<br />
De acordo com Fedrizzi (1999), considerando os efeitos e erros listados na Tabela 4.1, a<br />
pseudo-distância ρ pode ser escrita para as portadoras L1 e L2 na seguinte forma:<br />
e<br />
IONO TROP R S<br />
ρ 1 = R + c∆δ<br />
+ ∆ g , L1<br />
+ ∆ + dρ<br />
1 + dρ<br />
1 + mρ1<br />
IONO TROP R S<br />
ρ 2 = R + c∆δ + ∆ g , L2<br />
+ ∆ + dρ<br />
2 + dρ<br />
2 + m ρ2<br />
+ ε<br />
+ ε<br />
ρ1<br />
ρ2<br />
(4.44)<br />
(4.45)<br />
onde:<br />
R é a distância geométrica entre o receptor e o satélite;<br />
c∆δ = c(δ S -δ R ) é o erro devido aos desvios do relógio do satélite (δ S ) e receptor<br />
(δ R ) em relação ao tempo GPS;<br />
∆ IONO é o erro devido à refração ionosférica;<br />
∆ TROP é o erro devido à refração troposférica;<br />
d R e d S são os erros devido aos atrasos instrumentais do receptor e satélite,<br />
respectivamente;<br />
59
m é o erro devido ao múltiplo caminho; e<br />
ε é o erro devido ao ruído do receptor.<br />
Os termos relacionados à distância geométrica satélite-receptor, ao efeito da troposfera e<br />
aos erros nos relógios dos satélites e receptores afetam de forma semelhante as<br />
observáveis, nas portadoras L1 e L2. Subtraindo a Equação (4.44) de (4.45), obtém-se:<br />
IONO IONO<br />
ρ2 − ρ1<br />
= ∆ g , L2<br />
− ∆ g , L1<br />
R<br />
+ d ρ<br />
s<br />
+ dρ<br />
+ mρ<br />
+ ερ<br />
(4.46)<br />
onde:<br />
IONO 40,<br />
3 IONO 40,<br />
3<br />
∆ g , L1<br />
= CET e ∆ CET<br />
2<br />
g , L2<br />
= , de acordo com a Equação (4.43);<br />
2<br />
f L1<br />
f L2<br />
m ρ = m ρ2 - m ρ1 ;<br />
ε ρ = ε ρ2 - ε ρ1 ;<br />
d R ρ = d R ρ2 - d R ρ1 ; e<br />
d S ρ = d S ρ2 – d S ρ1<br />
A Equação (4.46) pode ser escrita da seguinte forma:<br />
ρ2<br />
− ρ1<br />
=<br />
1 R<br />
CET + dρ<br />
+ d ρ<br />
s + m ρ<br />
S<br />
+ ε<br />
ρ<br />
(4.47)<br />
onde S é um fator de conversão dado por:<br />
2 2<br />
1 f L1<br />
f L2<br />
16<br />
S = = 9,<br />
52 × 10<br />
40,<br />
3 2 2<br />
f L1<br />
− f L2<br />
[elétrons / m 3 ]<br />
60
onde f L1 e f L2 representam as freqüências das portadoras L1 (1,57542 GHz) e L2<br />
(1,2276 GHz), respectivamente. Rearranjando a Equação (4.47) obtém-se:<br />
CET ? = S[(? 2 −?<br />
1)<br />
−d<br />
? − m?<br />
− e?<br />
] [elétrons/m 2 ] (4.48)<br />
onde d ρ = d R ρ + d S ρ.<br />
A Equação (4.48) nos diz como obter o valor de CET a partir da diferença de pseudodistância,<br />
medida a partir dos códigos em L1 e L2. Nos diz também que este valor de<br />
CET terá influências: (1) do atraso instrumental no satélite e receptor; (2) dos efeitos de<br />
multi-caminho e (3) dos efeitos do ruído do receptor. Estes efeitos podem ser<br />
minimizados determinando-se o atraso instrumental do instrumento durante a fabricação<br />
do receptor, realizando-se uma boa instalação da antena de forma a evitar obstáculos<br />
próximos e utilizando-se componentes eletrônicos de baixo ruído na fabricação do<br />
receptor.<br />
4.2.2 Determinação do CET a partir de medidas de fase<br />
O CET também pode ser obtido a partir de medidas de fase. De acordo com Fedrizzi<br />
(1999), as pseudo-distâncias de fase (Φ) em unidades de distância, podem ser obtidas a<br />
partir de:<br />
Φ = λφ = R + c∆δ + λN<br />
(4.49)<br />
onde<br />
φ é a diferença de fase (em ciclos) entre a portadora (L1 ou L2) gerada no<br />
receptor e a portadora transmitida pelo satélite GPS;<br />
λ é o comprimento de onda do sinal (L1 ou L2);<br />
R é a distância geométrica entre o satélite e o receptor;<br />
61
c∆δ , como explicado anteriormente, é o erro devido aos desvios do relógio do<br />
satélite (δ S ) e receptor (δ R ) em relação ao tempo GPS; e<br />
N é um número conhecido como ambigüidade e resulta do desconhecimento do<br />
número total de ciclos contidos na trajetória do sinal desde o satélite até o receptor.<br />
Considerando os efeitos da ionosfera, troposfera, atrasos instrumentais, multi-caminho,<br />
ruído e ambigüidade, a Equação (4.49) pode ser reescrita da seguinte forma, para L1 e<br />
L2:<br />
e<br />
IONO TROP<br />
R S<br />
Φ1 = R + c∆δ<br />
+ ∆ + ∆ + λ<br />
f L1<br />
1N1<br />
+ dφ<br />
1 + dφ<br />
1 + m<br />
,<br />
φ1<br />
IONO TROP<br />
R S<br />
Φ 2 = R + c∆δ + ∆ + ∆ + λ<br />
f L2<br />
2 N 2 + dφ<br />
2 + dφ<br />
2 + m<br />
,<br />
φ2<br />
+ ε<br />
+ ε<br />
φ1<br />
φ2<br />
(4.50)<br />
(4.51)<br />
IONO IONO<br />
onde observa-se que ∆ = −∆<br />
f g , de acordo com as Equação (4.42) e (4.43).<br />
Subtraindo a Equação (4.51) de (4.50) obtém-se:<br />
Φ1<br />
− Φ2<br />
=<br />
1 R<br />
CETφ<br />
+ λ1N1<br />
− λ2N<br />
2 + dφ<br />
+ d<br />
S<br />
φ + mφ<br />
+ εφ<br />
S<br />
(4.52)<br />
onde, similarmente à Equação (4.46):<br />
m φ = m φ1 - m φ2;<br />
ε φ = ε φ1 - ε φ2;<br />
d R φ = d R φ1 - d R φ2; e<br />
d S φ = d S φ1 – d S φ2.<br />
Desta forma, o CET para as observáveis de fase é dado por:<br />
62
CET<br />
f<br />
= S[ (F − F ) − (? N − ? N ) − d − m − e ]<br />
(4.53)<br />
1<br />
2<br />
1<br />
1<br />
2<br />
2<br />
f<br />
f<br />
f<br />
onde d φ = d R φ – d S φ.<br />
O CET φ , devido à ambigüidade, é um valor relativo enquanto que o CET ρ representa um<br />
valor absoluto, contudo, bastante ruidoso como ilustra a Figura 4.3.<br />
Fig. 4.3 – Exemplo de cálculo do CET a partir das pseudo-distâncias (ρ 2 -ρ 1 ) e<br />
portadoras de fase diferenciais (Φ 1 -Φ 2 ). Pode-se observar que ρ 2 -ρ 1<br />
representa um valor absoluto de CET, altamente ruidoso, enquanto que Φ 1 -<br />
Φ 2 apresenta menos ruído, contudo, representa um valor de CET relativo.<br />
FONTE: Jakowski (1996, p.379).<br />
A Figura 4.3 mostra que as medidas de CET φ são medidas relativas e não representam o<br />
valor real de CET. Contudo, é necessário transformar as medidas de CET φ em valores<br />
absolutos através das medidas de CET ρ , obtendo-se ao final medidas absolutas com<br />
menor ruído. O CET φ nivelado é obtido, somando-se a ele o valor médio de diferença<br />
63
entre CET φ e CET ρ , ou seja, CET φ (nivelado) = < CET ρ - CET φ >, onde < > indica<br />
cálculo da média para um determinado intervalo de tempo.<br />
4.2.3 Obtenção do CET vertical<br />
Em geral, existe o interesse em estudar-se o CET sobre um certo local e para isto<br />
determina-se o CET vertical ou CETV a partir das medidas oblíquas. Considerando uma<br />
ionosfera estratificada, o CETV pode ser tomado como a projeção do CET na vertical<br />
do ponto sub-ionosférico situado no caminho de propagação do sinal, entre o satélite e o<br />
receptor (Hofmann-Wellenhof et al. 1994; Jakowski , 1996; Fedrizzi, 1999), ou seja:<br />
CETV = CET cos?<br />
(4.54)<br />
onde,<br />
⎡ r<br />
cos? = ⎢1<br />
−<br />
⎢⎣<br />
2<br />
e<br />
( r + h )<br />
e<br />
cos<br />
2<br />
(E) ⎤<br />
⎥<br />
2<br />
⎥⎦<br />
m<br />
1<br />
2<br />
χ é o ângulo zenital no ponto sub-ionosférico;<br />
r e é o raio da Terra;<br />
E é o ângulo de elevação do satélite;<br />
h m é a altura média do pico da ionosfera (entre 350 e 400 km).<br />
A Figura 4.4 ilustra os parâmetros listados acima.<br />
64
Trajetória do<br />
sinal (s)<br />
Satélite<br />
GPS<br />
CETV<br />
χ<br />
Receptor<br />
E<br />
hm<br />
r e<br />
Centro da Terra<br />
Fig. 4.4 – Geometria da trajetória do rádio-sinal, para sinais transionosféricos.<br />
FONTE: Jakowski (1996, p.373).<br />
65
CAPÍTULO 5<br />
INSTRUMENTAÇÃO, DADOS E METODOLOGIAS<br />
5.1 Instrumentação e dados<br />
A seguir, são descritos os dois tipos de receptores GPS e os dados utilizados neste<br />
trabalho.<br />
5.1.1 Monitores de cintilação – SCINTMON<br />
Atualmente, a Divisão de Aeronomia – DAE/INPE, em colaboração com a<br />
Universidade de Cornell (EUA), mantém 13 receptores GPS instalados em 8 pontos de<br />
observação distribuídos no Território Brasileiro. Estes receptores são monitores de<br />
cintilação em amplitude (SCINTMON) da portadora L1 transmitida pelos satélites GPS<br />
(Beach e Kintner, 2001). A Figura 5.1 mostra a distribuição dos receptores SCINTMON<br />
sobre o Território Brasileiro e a Tabela 5.1 indica as coordenadas das estações GPS<br />
cujos dados foram utilizados. Os valores de declinação e latitude dip foram calculados<br />
através de programa computacional do “International Geomagnetic Reference Field –<br />
IGRF 2000”. A latitude dip é dada por arctan [tan(I) / 2], onde I é a inclinação<br />
magnética (Rishbeth e Garriot, 1969).<br />
O receptor SCINTMON foi implementado a partir de uma placa ISA de<br />
desenvolvimento (GEC Plessey GPS Builder-2 TM ) e é capaz de amostrar<br />
simultaneamente sinais de até 11 satélites. Somente são coletados dados de satélites<br />
com elevação maior que 10 graus. A potência em banda larga (“Wide Band Power” -<br />
WBP) de L1 (1,57542 GHz) transmitida pelos satélites GPS é amostrada a uma taxa de<br />
50 Hz.<br />
67
O programa computacional de controle do SCINTMON permite ao usuário definir um<br />
modo de operação no qual o sistema opera de forma automática. O usuário apenas deve<br />
definir o horário de início e fim da gravação dos dados. Como as irregularidades<br />
formam-se no período do anoitecer e permanecem até aproximadamente meia-noite<br />
local, com exceção de períodos magneticamente perturbados quando pode-se observar<br />
cintilações durante toda a noite até o amanhecer, definiu-se o período de observação<br />
entre as 18:00 e 06:00 horas locais para todas as estações de observação.<br />
20 o N<br />
25 o lat dip<br />
0 o lat dip<br />
Manaus<br />
São Luís<br />
BRASIL<br />
Cuiabá<br />
Cachoeira Paulista Macaé<br />
São José dos Campos<br />
Palmas<br />
São Martinho da Serra<br />
0 o<br />
20 o S<br />
25 o lat dip<br />
40 o S<br />
90 o O<br />
70 o O<br />
50 o O<br />
60 o S<br />
30 o O<br />
Fig. 5.1 - Distribuição dos receptores SCINTMON sobre o Território Brasileiro.<br />
A cada noite de observação são gerados dois arquivos pelo SCINTMON: o primeiro é<br />
um arquivo binário de extensão “.fsl” que contém a informação de amplitude do sinal<br />
68
captado de todos os satélites rastreados pelo sistema durante a noite e o segundo é um<br />
arquivo texto (ASCII) de extensão “.n”, com informações gerais sobre os satélites<br />
rastreados. A partir dos arquivos “.fsl” e “.n” é gerado um terceiro arquivo sumário<br />
(extensão “.sum”) que contém informações à taxa de 1 minuto sobre a posição dos<br />
satélites, potência do sinal recebido e índice de cintilação (índice S 4 ) além de outras<br />
informações referentes ao sinal GPS. O Apêndice A informa maiores detalhes sobre o<br />
conteúdo do arquivo sumário.<br />
Tabela 5.1 – Coordenadas das estações GPS.<br />
ESTAÇÃO LAT. GEOG. LONG. GEOG. DECLINAÇÃO DIP LAT.<br />
MAGNÉTICA<br />
Macaé 22,25 o S 41,77 o O 22,00 o O -19,<strong>80</strong><br />
S. Martinho da Serra 29,28 o S 53,82 o O 12,90 o O -18,57<br />
S. J. dos Campos 23.07 o S 45,86 o O 20,03 o O -18,01<br />
Cachoeira Paulista 22.57 o S 45.01 o O 20,54 o O -18,12<br />
Palmas 26,36 o S 51,98 o O 15,36 o O -17,27<br />
Cuiabá 15,45 o S 56,07 o O 14,98 o O -6,56<br />
São Luís 02,57 o S 44,21 o O 20,74 o O -1,73<br />
Manaus 03,08 o S 59,97 o O 13.96 o O +5.79<br />
As Figuras 5.2 e 5.3 mostram exemplos de dados obtidos com o SCINTMON e<br />
gravados nos arquivos sumário para os satélites rastreados pelo receptor instalado em<br />
SJC.<br />
69
Fig. 5.2 - Os diversos painéis mostram os valores de potência em banda larga de sinal<br />
recebido (WBP em decibéis) para todos os satélites rastreados na noite de<br />
01/12/2001 para 02/12/2001. O PRN (identificação) de cada satélite é<br />
indicado no canto superior direito de cada painel.<br />
Fig. 5.3 - Os diversos painéis mostram os valores do índice S 4 , calculado para todos os<br />
sinais mostrados na Figura 5.2. Valores de S 4 acima de 0.2 estão associados à<br />
irregularidades.<br />
70
5.1.2 Receptores TurboRogue ICS-4000Z<br />
Conforme descrito no Capítulo 4, através do uso de receptores GPS de dupla freqüência,<br />
pode-se estimar o número de elétrons livres ou Conteúdo Eletrônico Total (CET) ao<br />
longo do caminho percorrido pelo sinal, desde sua transmissão pelo satélite GPS até a<br />
sua chegada ao receptor.<br />
O Grupo de Ionosfera, através de apoio da FAPESP, possui dois receptores de dupla<br />
freqüência, especialmente desenvolvidos para estimativa do atraso ionosférico<br />
(receptores TurboRoque ICS-4000Z da Allen-Osborne Associates). O Turbo Rogue é<br />
um receptor otimizado para medidas do CET ionosférico, capaz de rastrear<br />
simultaneamente e digitalmente independente até 8 satélites. Este receptor é capaz de<br />
fornecer medidas de pseudo-distâncias e pseudo-fases mais exatas, corrigindo<br />
automaticamente desvios de fase (Allen Osborne Associates, 1995).<br />
O primeiro receptor está instalado em São Luís (SLZ) onde também estão instalados<br />
dois receptores SCINTMON. O segundo receptor encontra-se instalado em São José dos<br />
Campos (SJC), onde também encontra-se instalado um receptor SCINTMON. Existem<br />
ainda dois receptores SCINTMON instalados no Centro Espacial de Cachoeira Paulista<br />
(CP), localizado a aproximadamente 110 km de SJC. SLZ está localizado sob o equador<br />
magnético enquanto que SJC situa-se próximo ao pico da Anomalia de Appleton.<br />
Os receptores TurboRogue adquirem dados 24 horas por dia a uma taxa de amostragem<br />
de 1Hz. Inicialmente, os dados são gravados em arquivos binários com<br />
aproximadamente 30 Megabytes de informação por dia. Nestes arquivos binários estão<br />
contidos diversos tipos de informações, tais como, identificação da estação de<br />
observação, tempo GPS, canal utilizado, satélite rastreado, azimute do satélite, elevação<br />
do satélite, tipo de observação, taxa de amostragem, razão sinal-ruído, atraso entre os<br />
71
códigos e fases das portadoras L1 e L2 e outras informações que não serão utilizadas<br />
neste trabalho (AOA, 1995).<br />
O Apêndice B detalha os procedimentos de conversão e preparação dos dados para<br />
posterior cálculo dos valores de CET. A Figura 5.4 mostra um exemplo da variação<br />
diária do CET vertical sobre SLZ medida pelo receptor TurboRogue. Períodos com<br />
ausência de dados correspondem à períodos quando não eram observados satélites com<br />
elevação maior que 50 o .<br />
(a)<br />
(b)<br />
Fig. 5.4 – (a) Variação diária do CET vertical sobre São Luís obtido a partir de medidas<br />
de código (•) e fase (•). (a) Ângulos de elevação (•) e azimute (•) dos<br />
satélites cujos dados foram utilizados.<br />
72
5.2 Metodologias<br />
As metodologias empregadas para análise dos dados de cintilação e CET são resumidas<br />
nas próximas seções.<br />
5.2.1 Estudos das irregularidades ionosféricas através das cintilações<br />
Para o estudo das irregularidades que causam cintilações no sinal GPS foram utilizadas<br />
as informações contidas nos arquivos sumários. O cronograma de atividades<br />
compreendia o desenvolvimento de rotinas computacionais em Matlab para extração das<br />
informações dos arquivos sumário, posterior geração de gráficos e análise.<br />
As rotinas computacionais desenvolvidas fazem a extração de informações tais como:<br />
data da observação, hora universal (UT), números de satélites rastreados e seus<br />
correspondentes PRN´s, elevação e azimute de cada satélite, valor de S 4 e informação<br />
sobre a perda de sinal do satélite pelo receptor naquele intervalo de minuto. Logo após a<br />
extração destas informações, as rotinas computacionais fazem a seleção dos dados para<br />
períodos, elevações de satélites e condições geomagnéticas necessárias ao estudo a ser<br />
realizado.<br />
No Capítulo 6, a ocorrência de irregularidades que causam cintilação no sinal GPS foi<br />
comparada com a manifestação de irregularidades ionosféricas observadas em radares<br />
de espalhamento coerente, digissonda e fotômetro. Estas medidas servem para mostrar o<br />
que é observado em cada instrumento durante um evento de ESF, já que as técnicas<br />
empregadas por cada instrumento são distintas. Para a comparação de dados foram<br />
utilizados apenas dados dos satélites de máxima elevação a cada minuto. Este<br />
procedimento foi adotado para que a região ionosférica mais próxima do zênite fosse<br />
observada, já que todos os demais instrumentos têm suas antenas (digissonda e radar) ou<br />
lentes (fotômetro) apontadas na direção zenital.<br />
73
5.2.2 Estudo das irregularidades ionosféricas sobre São José dos Campos<br />
No Capítulo 7 são apresentados resultados de um estudo estatístico das irregularidades<br />
ionosféricas que causam cintilação no sinal GPS. Para este estudo foram utilizados<br />
dados coletados durante aproximadamente 5 anos (Set/1997 à Jun/2002) pelo receptor<br />
SCINTMON instalado em SJC. Para os dias em que não foram coletados dados em SJC,<br />
foram utilizados os dados coletados em Cachoeira Paulista (CP). Novamente, foram<br />
utilizadas as informações gravadas nos arquivos sumários e rotinas computacionais<br />
desenvolvidas durante o decorrer deste trabalho.<br />
Com base nestes dados foi possível realizar estudos sobre (i) variação temporal de<br />
ocorrência das irregularidades ionosféricas que causam as cintilações, (ii) sua variação<br />
sazonal, e (iii) os efeitos da atividade solar sobre a ocorrência das irregularidades e<br />
intensidade das cintilações<br />
Esta análise foi realizada para cada mês do período entre Setembro de 1997 a Junho de<br />
2002, com exceção dos meses que não apresentavam dados. Também foi feita uma<br />
seleção de dados para que fossem estudados apenas dias geomagneticamente calmos.<br />
Foram considerados dias geomagneticamente calmos aqueles dias nos quais o índice Kp<br />
não atingiu 4 em nenhum dos seus 8 valores diários e também não excedeu este valor<br />
nos dois primeiros valores de Kp do dia seguinte. Lembrando que as observações<br />
iniciam-se as 18:00 LT e estendem-se até o amanhecer do dia seguinte (06:00 LT), esta<br />
seleção faz com que somente dados coletados durante períodos sem nenhuma<br />
perturbação magnética durante as observações ou mesmo 18 horas antes do início das<br />
observações.<br />
Para este estudo também foram utilizados apenas dados de satélites com elevação maior<br />
que 45 o . Este procedimento foi adotado para que se estudasse apenas irregularidades<br />
74
locais, ou seja, que estivessem dentro de um raio de distância de aproximadamente 400<br />
km, considerando-se que as irregularidades se encontrem em uma altura de 400 km.<br />
5.2.3 Cálculo do CET<br />
Para o estudo CET vertical foram desenvolvidos programas computacionais que<br />
realizam o cálculo do CET vertical a partir das medidas oblíquas de diferença de<br />
pseudo-distâncias e de pseudo-fases.<br />
Conforme a Equação 4.48 e 4.53 do Capítulo 4, o CET é dado pela diferença da pseudodistância<br />
ou pseudo-fases medida pelo receptor com influências de (1) atraso<br />
instrumental (receptor e satélite), (2) multi-caminho e (3) ruído do receptor. Os erros<br />
causados por multi-caminho foram minimizados com a utilização de uma antena<br />
especial do tipo “Choke-Ring”. Os erros causados por ruído do receptor foram<br />
minimizados com a utilização de receptores especialmente desenvolvidos para<br />
calibração ionosférica. Para minimizar os efeitos de atraso instrumental foram utilizados<br />
os valores de atraso instrumental de cada receptor fornecidos pelo fabricante e os<br />
valores diários de atraso dos satélites fornecidos pelo Instituto Astronômico da<br />
Universidade de Berna, Suíça.<br />
Após a obtenção do CET oblíquo, realizou-se a conversão para o CET vertical (CETV)<br />
conforme explicado na Seção 4.2.3 do Capítulo 4. Considerou-se a altura média do pico<br />
da ionosfera (h m ) como sendo 400km. Este é o mesmo valor utilizado pela maioria dos<br />
autores de trabalhos relacionados ao cálculo do CET a partir de observáveis GPS.<br />
Para as medidas de CET obtidas através das pseudo-fases foram corrigidas as perdas de<br />
ciclo (“cycle slips”), que são descontinuidades na medida da fase (Hofmann-Wellenhof<br />
et al., 1994; Mônico, 2000). Logo em seguida, nivelou-se o CET obtido pelas medidas<br />
de pseudo-fases (valores relativos) através da média do CET vertical obtido por medidas<br />
75
de pseudo-distâncias (valores absolutos mas ruidosos). Também calculou-se a hora local<br />
do ponto sub-ionosférico a partir dos valores de elevação e azimute e h m = 400 km.<br />
Para a obtenção das curvas de variação diária do CET somente foram utilizados dados<br />
de satélites com elevação maior que 50 o . Este procedimento procura minimizar os<br />
efeitos de gradientes latitudinais de densidade causados pela Anomalia de Appleton<br />
sobre o cálculo do CET vertical. A Figura 5.5 procura ilustrar este possível efeito da<br />
Anomalia de Appleton quando calcula-se o CET a partir de dados de satélites de baixa<br />
elevação. Por exemplo, quando utiliza-se sinais de satélites de baixa elevação captados<br />
pelo receptor de SLZ é possível que se esteja medindo o CET de uma região próxima à<br />
Anomalia Equatorial ao invés de medir-se o CET na região equatorial.<br />
Na Figura 5.6 (a) é mostrada a curva de variação do CET vertical obtida a partir de<br />
dados de todos os satélites com elevação maior 20 o . A Figura 5.6 (b) mostra a mesma<br />
variação obtida apenas de dados de satélites dentro de um cone de elevação de 50 o .<br />
Observa-se que, ao utilizar-se satélites de baixa elevação, a dispersão de valores de<br />
CET, tanto aqueles obtidos a partir da pseudo-distância quanto os obtidos a partir da<br />
pseudo-fase, para um mesmo horário é muito grande. Existe também uma maior<br />
dificuldade para o nivelamento do CET fase devido ao maior número de perdas de<br />
ciclos que ocorrem em sinais transmitidos por satélites de baixa elevação. Atribui-se a<br />
maior dispersão de dados mostrada na Figura 5.6 (a) ao fato de que cada satélite de<br />
baixa elevação mede o CET em pontos distintos e muito distantes do ponto sub -<br />
ionosférico zenital. Um satélite com elevação de 20 o mede o CET ionosférico em um<br />
ponto afastado aproximadamente 1.100 km da estação receptora GPS. Se considerarmos<br />
dois satélites com azimutes opostos eles estarão medindo o CET em pontos separados<br />
por aproximadamente 2.200 km!<br />
Deve-se levar em conta que a restrição à utilização de dados de satélites de alta elevação<br />
faz com que hajam períodos em que o CET não possa ser calculado devido a ausência<br />
76
destes satélites. A Figura 5.6 (b) mostra alguns períodos sem valores de CET vertical<br />
devido a este fato.<br />
Utilizando dados de CET coletados simultaneamente em São José dos Campos e São<br />
Luís foi possível também realizar uma análise da distribuição latitudinal do CET<br />
vertical. Também foi implementada uma rotina que estima o desvio de CET causado<br />
pelas irregularidades ionosféricas. O Capítulo 8 descreve estas análises com maiores<br />
detalhes.<br />
Fig. 5.5 – Ilustração do efeito da Anomalia de Appleton no cálculo do CET vertical.<br />
77
Fig. 5.6 – Exemplo do efeito causado por satélites de baixa elevação no cálculo do CET<br />
vertical. Em (a) foram utilizados dados de satélites com elevação maior que<br />
20 o . Em (b) foram utilizados apenas dados de satélites com elevação maior<br />
que 50 o .<br />
78
CAPÍTULO 6<br />
RESULTADOS E DISCUSSÕES I: OBSERVAÇÕES DA CINTILAÇÃO<br />
IONOSFÉRICA E DO ESF UTILIZANDO MULTÍPLAS TÉCNICAS<br />
6.1 Observações do ESF utilizando múltiplas técnicas<br />
Neste capítulo, dados de cintilação ionosférica em sinais GPS são comparados com<br />
observações de ESF realizadas por outros instrumentos tais como ionossonda digital<br />
(Digissonda), radar de espalhamento coerente e fotômetro. O objetivo desta comparação de<br />
dados é uma melhor compreensão das informações fornecidas pela técnica de cintilação e sua<br />
relação com observações do ESF realizadas por outras técnicas. Foram utilizados dados<br />
coletados durante duas campanhas de observação, uma realizada no Observatório Espacial<br />
de São Luís - SLZ (2,58 o S, 44,21 o O, -1,73 o latitude dip) e outra realizada no Observatório<br />
Espacial do Sul – OES/INPE (29,28 o S, 53,82 o O, -18,57 o latitude dip), em São Martinho da<br />
Serra - RS.<br />
Durante a campanha de São Luís, realizada no período de 11 a 20 de novembro de 2001,<br />
foram operados, simultaneamente, um radar VHF (30 MHz) de espalhamento coerente, uma<br />
Digissonda (DGS-256) e dois receptores SCINTMON. Foram utilizados dois receptores<br />
SCINTMON, para que em um posterior estudo seja possível calcular a velocidade zonal das<br />
irregularidades utilizando a técnica de receptores espaçados. O período escolhido para a<br />
análise dos dados coincidiu com a campanha de observação de bolhas ionosféricas, realizada<br />
pelo Laboratório de Pesquisas da Força Aérea Norte-Americana (AFRL) em conjunto com<br />
o Centro Técnico Aeroespacial (CTA) e o INPE, na cidade de Corumbá - MS. Durante esta<br />
campanha vários outros instrumentos foram operados em diversos pontos do Território<br />
Brasileiro e comparações entre os dados coletados serão realizadas em trabalhos futuros.<br />
79
As condições geomagnéticas para o período da campanha de São Luís, expressas através<br />
dos índices Kp e Dst, são mostradas na Figura 6.1. Durante todo o período, o índice Kp não<br />
excedeu 4 e o Dst não excedeu –50 nT. Desta forma, o período das observações pode ser<br />
considerado geomagneticamente calmo.<br />
Fig. 6.1 – Índices (a) Kp e (b) Dst para o período da campanha de observações realizada no<br />
Observatório Espacial de São Luís, entre os dias 11 e 20 de Novembro de 2001.<br />
A outra campanha de observações, realizada no OES/INPE, ocorreu entre os dias 08 e 19<br />
de Março de 2002. Durante esta campanha foram operados dois receptores SCINTMON e<br />
um fotômetro zenital (6300 nm) para observação de bolhas ionosféricas. A exemplo da<br />
campanha de São Luís, também foram utilizados dois monitores de cintilação, de forma que a<br />
velocidade zonal das irregularidades ionosféricas pudesse ser calculada em um posterior<br />
estudo. Esta campanha foi realizada em conjunto com a Universidade de Takushoku do<br />
Japão, que gentilmente contribuiu com as observações de luminescência atmosférica. A Figura<br />
6.2 mostra as condições geomagnéticas (índices Kp e Dst) para o período da campanha no<br />
OES. Neste período, o Kp atingiu 5 somente no dia 19/03/2002 e o Dst não excedeu –50<br />
<strong>80</strong>
nT. As condições geomagnéticas podem ser consideradas calmas para todo o período com<br />
exceção do dia 19, que pode ser considerado um dia moderadamente perturbado.<br />
Fig. 6.2 - Índices (a) Kp e (b) Dst para o período da campanha de observações realizada no<br />
Observatório Espacial do Sul, entre os dias 08 e 19 de Março de 2002.<br />
6.2 Descrição da campanha de observações em São Luís<br />
Nesta seção são apresentados os resultados de medidas simultâneas do ESF através de três<br />
técnicas distintas: (1) cintilações em sinais GPS; (2) medidas com radar VHF de<br />
espalhamento coerente e; (3) medidas de ESF em ionogramas.<br />
Há vários anos, Basu et al. (1978) compararam a ocorrência de cintilações e plumas sobre o<br />
Rádio Observatório de Jicamarca, no Peru. Naquele trabalho foram utilizados sinais<br />
transmitidos por satélites geoestacionários para o estudo das cintilações. O uso de satélites<br />
geoestacionários permitiu que estudassem um ponto sub-ionosférico fixo, localizado próximo<br />
à área sondada pelo radar de Jicamarca. No presente trabalho utilizam-se dados de cintilação<br />
em sinais GPS (Banda L), que estão em constante movimento sobre distintas órbitas para<br />
81
comparação com medidas de radar no setor Brasileiro de longitude, juntamente com medidas<br />
de espalhamento em ionogramas.<br />
6.2.1 Conjunto de dados<br />
Para as medidas de radar, utilizou-se o radar VHF (30 MHz) de espalhamento coerente<br />
instalado no Observatório Espacial do INPE em São Luís, radar este sensível à<br />
irregularidades ionosféricas com escalas de tamanho em torno de 5 metros. Mapas RTI (do<br />
inglês “Range-Time-Intensity” ou Altura-Tempo-Intensidade) foram utilizados para análise<br />
dos dados coletados pelo radar de São Luís. A Figura 6.3 mostra o conjunto de 10 mapas<br />
RTI obtidos durante a campanha de observação em São Luís. O número no canto superior<br />
direito de cada mapa se refere ao dia de novembro de 2001, no qual o mapa foi obtido. A<br />
abscissa de cada mapa corresponde à hora universal (UT), enquanto que a ordenada<br />
corresponde à altura. A escala de cores, conforme legenda, corresponde a relação sinal/ruído<br />
da potência do eco (em decibéis) recebido pelo radar. O eco do radar de espalhamento<br />
coerente pode ser considerado como sendo proporcional à média dos quadrados das<br />
perturbações de densidade que o causaram.<br />
A partir dos ionogramas gravados a cada 15 minutos obteve-se a variação temporal da<br />
ocorrência de espalhamento nos traços dos ionogramas. Analisou-se o tipo de espalhamento<br />
observado nos ionogramas (espalhamento em freqüência, espalhamento em altura ou misto) e<br />
a sua intensidade, quando o espalhamento observado era do tipo em altura ou misto.<br />
Os dados de cintilação foram coletados por receptores SCINTMON, descritos no Capítulo<br />
5. Para se estudar a ionosfera local e para que se pudesse comparar com dados da<br />
digissonda e do radar, somente foram analisados dados de S 4 calculados para o sinal do<br />
satélite de maior elevação rastreado a cada intervalo de 1 minuto.<br />
82
Fig. 6.3 - Conjunto de mapas RTI obtidos durante a campanha de observações em São Luís.<br />
83
Fig. 6.4 - Resultados das medidas de cintilação (gráfico de pontos) e de espalhamento nos<br />
ionogramas (gráfico de colunas) realizadas durante a campanha de observação em<br />
São Luís, de 11 a 20 de Novembro de 2001 (LT ~ UT - 3).<br />
A Figura 6.4 mostra o conjunto de dados de espalhamento nos traços dos ionogramas e<br />
dados de cintilação para todo o período da campanha. Para cada dia é mostrada a<br />
intensidade de cintilação (S 4 ), calculada para o sinal transmitido pelo satélite de maior<br />
elevação a cada minuto de observação (gráfico de pontos) e a intensidade e tipo de<br />
espalhamento observado nos ionogramas (gráfico de colunas). Para a região equatorial e<br />
sinais na faixa de GHz, associam-se valores de S 4 maiores que 0,1 a irregularidades<br />
ionosféricas. Para os dados de ESF em ionogramas foram definidos três níveis de intensidade<br />
para o espalhamento em altura (1 = fraco, 2 = médio e 3 = forte) representado pela altura das<br />
colunas nos gráficos. Acima de cada coluna, uma letra indica o tipo de espalhamento (R = em<br />
altura, F = em freqüência e M = em freqüência e altura).<br />
84
6.2.2 Interpretação das observações<br />
Os mapas RTI da Figura 6.3 mostram que, para o período da campanha, os ecos indicando a<br />
presença das irregularidades ionosféricas (5 m) iniciavam-se em torno das 21:45 UT (~18:45<br />
LT) em uma fina camada localizada em aproximadamente 400 km de altura. Logo em<br />
seguida, estas camadas cresciam e os ecos tornavam-se mais intensos. Em algumas noites,<br />
estas irregularidades atingiam alturas que excediam 1000 km. Estas manifestações de<br />
irregularidades observadas por radares são conhecidas como plumas e estão relacionadas às<br />
irregularidades de pequena escala de tamanho imersas no interior de bolhas ionosféricas. A<br />
partir dos dados mostrados nas Figuras 6.3 e 6.4, observa-se que, apenas no dia 19/11/2001<br />
não ocorreu manifestação do ESF observado pelo radar e por cintilações. Neste dia<br />
observou-se apenas fraco espalhamento em altura nos ionogramas, durante um curto período<br />
de tempo (~ 1 hora e meia).<br />
O início do espalhamento nos ionogramas e dos ecos observados pelo radar é quase<br />
simultâneo e ocorre em torno das 22:00 UT (19:00 LT). Contudo, o período de ocorrência<br />
das plumas é muito menor que o período de ocorrência do espalhamento nos ionogramas.<br />
Isto se deve ao fato do decaimento mais rápido das irregularidades de menores escalas de<br />
tamanho, como mostrado por Basu et al. (1978). O ESF em ionogramas está associado à<br />
irregularidades com escalas de tamanho da ordem de quilômetros (Basu e Basu, 1993),<br />
enquanto que o radar de São Luís é sensível a irregularidades de 5 metros.<br />
O início das cintilações não é simultâneo ao início das plumas (e espalhamento nos<br />
ionogramas) e o seu período de ocorrência é coerentemente mais longo que a duração das<br />
plumas e mais curto que a duração do espalhamento nos ionogramas. Segundo Kintner et al.<br />
85
(2001) e Rodrigues et al. (2002a), as irregularidades que mais contribuem para a cintilação<br />
nos sinais GPS têm escalas de tamanho em torno de 400 metros.<br />
Será visto com maiores detalhes na seção 6.2.4 que as cintilações iniciam-se somente após o<br />
completo desenvolvimento das plumas. Durante a fase inicial das plumas, quando as<br />
irregularidades de 5 metros se encontram concentradas em finas camadas de fracos ecos<br />
(conhecidas como “bottom-type”) localizadas em baixas alturas (~400 km) não observa-se<br />
cintilação nos sinais GPS. Estes resultados estão de acordo com os resultados encontrados<br />
por Mullen et al. (1978) citados por Basu et al. (1978) que, a partir de estatísticas utilizando<br />
dados coletados em Huancayo (equador magnético), observaram uma maior intensidade de<br />
cintilação em sinais da Banda L (1,54 GHz) durante a fase de desenvolvimento das plumas<br />
observadas pelo radar de Jicamarca.<br />
Tanto o radar quanto a digissonda são sensíveis a irregularidades na porção inferior da<br />
camada F e por este motivo estes dois instrumentos iniciam a observação de ESF quase que<br />
simultaneamente.<br />
É importante salientar que a ausência de cintilações durante períodos nos quais são<br />
observadas camadas do tipo “bottom-type”, precursora de plumas, é um característica válida<br />
apenas para o caso de sinais com freqüências na faixa de GHz e não aplica-se<br />
necessariamente a sinais na faixa de VHF. De acordo com Abdu et al. (1998), cintilações em<br />
sinais VHF podem ser resultados de irregularidades na porção inferior (estruturas “bottomtype”)<br />
e/ou irregularidades na porção superior (estruturas “topside”) da camada F, enquanto<br />
que cintilações em sinais na faixa de GHz são estritamente associadas às bolhas ionosféricas.<br />
86
6.2.3 Dificuldades na comparação entre plumas e cintilações<br />
Um aspecto importante a ser considerado é que, muitas vezes, a região ionosférica sondada<br />
pelo radar não é a mesma pela qual os sinais GPS se propagam já que neste trabalho foram<br />
utilizados sinais transmitidos por satélites com uma elevação mínima de 50 o . Considerando<br />
que as irregularidades causando cintilações se situem a uma altura de 450 km, isto significa<br />
que os pontos sub-ionosféricos podem se localizar em uma área de até 398 km de raio, ao<br />
redor do ponto de observação. Da mesma forma, levando em conta que o feixe da rede de<br />
antenas para transmissão do radar apresenta uma largura de meia-potência de 10 o , pode-se<br />
dizer que os ecos recebidos pelo radar são produzidos por irregularidades que podem estar<br />
em qualquer ponto dentro de uma área sub-ionosférica de até 40 km de raio.<br />
Apesar da área ionosférica observada pela técnica de cintilação em sinais GPS ser muito<br />
maior que a área sondada pelo radar e pela digissonda, as observações são bastante<br />
consistentes e os resultados são bastante similares àqueles obtidos com satélites<br />
geoestacionários (Basu et al., 1978). Para que se compare com mais detalhes os dados de<br />
cintilação, plumas e espalhamentos nos ionogramas, as Figuras 6.5 e 6.6, mostram<br />
simultaneamente os mapas RTI, dados de cintilação e dados de espalhamento para dois dias<br />
da campanha. Adicionalmente, também são mostradas as elevações dos satélites dos quais<br />
utilizaram-se os dados.<br />
6.2.4 Análise de dois dias típicos<br />
Na Figura 6.5 são mostrados os dados obtidos no dia 16/11/2001 no qual observou-se uma<br />
pluma de grandes proporções. A pluma iniciou-se as ~18:45 LT e, simultaneamente,<br />
observou-se o início do espalhamento em altura nos ionogramas. Subitamente, às ~19:10 LT,<br />
a pluma elevou-se em altura atingindo aproximadamente 1200 km às ~19:30 LT, quando<br />
87
também observaram-se ecos mais intensos. A atividade de cintilações também iniciou-se as<br />
~19:05 LT, em uma correspondência quase que direta ao desenvolvimento da pluma e início<br />
de ecos mais intensos. O índice S 4 aumentou de 0,05 para 0,3 durante a rápida elevação da<br />
pluma. A elevação do satélite do qual utilizou-se os dados era de 60 o a 70 o durante a fase<br />
inicial de geração e desenvolvimento da pluma.<br />
Pode-se observar que, em torno das 23:45 LT a intensidade do espalhamento em altura nos<br />
ionogramas começa a diminuir e então retorna muito forte. Paralelamente, a intensidade das<br />
cintilações também aumenta, o que pode indicar a geração de uma nova bolha ionosférica ou<br />
a passagem de uma bolha gerada em outra longitude sobre o ponto de observação. Porém, o<br />
radar já havia sido desligado durante este período.<br />
No dia 16/11/2002 a camada do tipo “bottom-type” (Hysell e Burchan, 2002) é de curta<br />
duração e o comportamento das cintilações durante a ocorrência deste tipo de camada não<br />
pode ser estudada em detalhes. Contudo, no dia 13/11/2001 cujos dados são mostrados na<br />
Figura 6.6, este tipo de camada dura aproximadamente 1 hora e meia (~18:40 as 20:10 LT).<br />
Neste dia, dispõe-se de um maior intervalo de tempo para observar-se o comportamento das<br />
cintilações durante a ocorrência desse tipo de camada. Novamente, pôde-se observar que as<br />
cintilações somente iniciam após as irregularidades mostradas pelo radar alcançarem uma<br />
elevada altura e os ecos se tornarem mais intensos.<br />
88
Fig. 6.5 - Conjunto de dados obtidos para o dia 16/11/2001: (a) pluma observada pelo<br />
radar; (b) cintilações observadas em sinais GPS e (c) espalhamento nos<br />
ionogramas. A elevação do satélite GPS do qual transmitiu-se o sinal e que foi<br />
calculado o índice S 4 também é mostrada como uma linha tracejada em (b).<br />
A não ocorrência de cintilações durante a camada “bottom-type” pode ser explicada<br />
considerando-se que o índice S 4 é proporcional à altura (z) e espessura (L) da camada de<br />
irregularidades e também ao desvio médio de densidade eletrônica ao longo do caminho de<br />
propagação do sinal (), (Basu e Basu, 19<strong>80</strong>). A camada do tipo “bottom-type” é uma<br />
camada caracteristicamente fina e situada na porção inferior da camada F (Hysell e Burchan,<br />
2002), o que resulta em baixos valores de z e L. Além disso, por se situar na porção inferior<br />
da camada F onde a densidade eletrônica é mais baixa, é coerente esperarmos baixos valores<br />
de . Todos estes fatores contribuem para que não sejam observadas cintilações, pelo<br />
menos em sinais da Banda L, durante camadas do tipo “bottom-type”. É importante salientar<br />
que, mesmo que as irregularidades estejam na mesma altura do pico da camada F 2 , o S 4 não<br />
alcança valores muito altos devido à baixa densidade ionosférica no equador. De acordo com<br />
89
medidas de hmF2, o pico da camada F2 estava a aproximadamente 500 km de altura.<br />
Somente quando a camada de irregularidades mostrada pelo radar atingiu altura semelhante,<br />
iniciaram-se níveis perceptíveis de cintilações.<br />
Fig. 6.6 - Conjunto de dados obtidos para o dia 13/11/2001: (a) pluma observada pelo<br />
radar; (b) cintilações observadas em sinais GPS e (c) espalhamento nos<br />
ionogramas. A elevação do satélite GPS do qual transmitiu-se o sinal e que foi<br />
calculado o índice S 4 também é mostrada como uma linha tracejada em (b).<br />
6.2.5 Exemplo da variabilidade dia-a-dia do ESF<br />
A ausência de cintilações e plumas no dia 19/11/2001, é um exemplo da variabilidade dia-adia<br />
da ocorrência do ESF. Esta variabilidade é um ponto de atual interesse no estudo das<br />
irregularidades ionosféricas e tem sido associada a diversos parâmetros, tais como ação de<br />
90
ventos neutros meridionais juntamente com condutividade integrada ao longo das linhas de<br />
campo, presença / ausência de uma perturbação inicial e atividade magnética.<br />
A Figura 6.7 mostra a variação temporal da altura real do pico da camada F2 (hmF2) e a<br />
altura virtual da base da camada F (h’F) para os dias da campanha, observado pela<br />
Digissonda de São Luís. Observa-se que a diferença de altura entre a base da camada F<br />
(h´F) e o pico da camada F2 (hmF2) tende a diminuir após o pôr-do-sol, indicando um<br />
aumento do gradiente de densidade da porção inferior da camada F. Este gradiente é propício<br />
ao desenvolvimento das irregularidades ionosféricas conforme a expressão da taxa de<br />
crescimento da instabilidade RT generalizada (Equação 3.1).<br />
Contudo, pode-se observar que no dia 19/11/2001 no qual não se observaram plumas, a<br />
base da camada F não se elevou como nos demais dias. Aparentemente, a começar do dia<br />
16/11/2001, a porção inferior da camada F sistematicamente alcançou alturas cada vez<br />
menores. A partir de dados de espalhamento em ionogramas de Cachoeira Paulista (CP),<br />
Abdu et al. (1992) também perceberam uma sistemática diminuição na ocorrência do ESF<br />
durante períodos específicos nos meses de Novembro e Fevereiro.<br />
Abdu et al. (1992) explicaram a diminuição na ocorrência do ESF em termos do gradiente<br />
longitudinal da condutividade Pedersen das camadas E conjugadas. Batista et al. (1986)<br />
mostraram que o gradiente longitudinal da condutividade Pedersen tem um papel importante<br />
na determinação do tempo de início e amplitude da deriva de pré-inversão no horário do pôrdo-sol.<br />
Quanto maior o gradiente, maior é a velocidade de deriva e maior é a probabilidade<br />
de ocorrência do ESF.<br />
91
Fig. 6.7 - Variação temporal da altura virtual da base da camada F (h’F) e da altura real do<br />
pico da camada F2 (hmF2) para os dias da campanha em São Luís.<br />
A magnitude do gradiente de condutividade, por sua vez, depende do grau de alinhamento da<br />
linha do terminador do pôr-do-sol com o meridiano magnético das camadas E conjugadas.<br />
Contudo, ao mesmo tempo em que um perfeito alinhamento do terminador e meridiano<br />
magnético aumentam a deriva vertical de pré-inversão isto também faz com que toda a<br />
camada derive verticalmente com uma mesma velocidade e sem que a camada se<br />
desestabilize, ou seja, sem a criação de um alto gradiente de densidade entre a base e o pico<br />
da camada F. A falta deste alto gradiente de densidade faz com que haja uma diminuição da<br />
taxa de crescimento (γ) da instabilidade RT e uma menor probabilidade de ocorrência das<br />
irregularidades ionosféricas. A ausência de cintilações na noite de 19/11/2001 também pode<br />
ser explicada nestes termos, ou seja, devido à falta de um alto gradiente de densidade,<br />
92
causado pela possível deriva vertical uniforme da camada F causada por um alinhamento<br />
perfeito do meridiano magnético e terminador do pôr-do-sol. Outro fator que deve ser<br />
considerado na inibição das irregularidades no dia 19, é a fraca subida da base da camada F,<br />
fazendo com que o termo (g/ν ie ) não contribua para a taxa de crescimento (γ).<br />
6.3 Campanha de São Martinho da Serra<br />
Na seção anterior, medidas do ESF realizadas com monitores de cintilação, radar e<br />
digissonda foram analisadas. Medidas de ESF no equador resultam da manifestação de<br />
irregularidades nas mais diversas fases da sua evolução, desde a geração até o seu<br />
desaparecimento.<br />
Medidas de cintilação em baixas latitudes são, em geral, causadas por irregularidades de<br />
escalas de tamanho intermediária (100-10.000 m) e de transição (10-100 m) imersas em<br />
bolhas ionosféricas completamente desenvolvidas (Basu e Basu, 1993; Abdu et al., 2000).<br />
Nesta seção são apresentados resultados de medidas de cintilações em sinais GPS juntamente<br />
com medidas de bolhas ionosféricas utilizando um fotômetro zenital. As observações foram<br />
realizadas durante o período de 08 a 19 de março de 2002, no OES/INPE. Durante a<br />
campanha de observações realizada em SLZ, cujos resultados foram apresentados na seção<br />
anterior, utilizaram-se valores de S 4 calculados para o satélite de maior elevação a cada 1<br />
minuto para comparação com observação de ESF realizadas por radar e Digissonda. Os<br />
resultados mostraram uma boa relação entre o completo desenvolvimento das plumas e o<br />
aumento da atividade de cintilações. Nesta seção, cintilações em sinais GPS serão analisadas<br />
juntamente com a ocorrência de bolhas ionosféricas observadas por um fotômetro zenital.<br />
As bolhas ionosféricas são regiões de depleção do plasma ionosférico e podem ser<br />
identificadas por súbitos decréscimos na intensidade de emissão do oxigênio atômico (OI)<br />
93
observada em 630 nm (Sobral et al., 19<strong>80</strong>; Sahai et al., 2000; Takahashi et al., 2001). Em<br />
regiões equatoriais e de baixas latitudes, a emissão do OI 630 nm ocorre devido a processos<br />
químicos de troca de carga e de recombinação dissociativa de íons O + 2 (Sahai et al., 2000;<br />
Takahashi et al., 2001):<br />
O + + O 2 → O + O 2 + ;<br />
O 2 + + e → O*( 1 S, 1 D) + O;<br />
O*( 1 D) → O( 3 P) + hν (630 nm)<br />
A intensidade da emissão depende de mudanças na altura da porção inferior da camada F e<br />
também de mudanças na densidade eletrônica desta camada. As bolhas ionosféricas são<br />
caracterizadas por uma drástica diminuição da densidade eletrônica na camada F. Com isto,<br />
observam-se acentuadas quedas na intensidade de luminescência atmosférica observadas por<br />
fotômetros ou câmaras imageadoras durante a ocorrência das bolhas.<br />
Instrumentos ópticos para observação da luminescência atmosférica têm sido amplamente<br />
utilizados para identificar a ocorrência das bolhas ionosféricas em campanhas de observação<br />
de cintilações (por exemplo, Basu et al., 1983; Basu et al., 1996; Aarons et al., 19<strong>80</strong> e<br />
1999). Neste estudo, dados de cintilação em sinais GPS serão comparados com regiões de<br />
depleção de luminescência atmosférica observadas por um fotômetro zenital.<br />
6.3.1 Conjunto de observações<br />
A Figura 6.8 mostra os dados de cintilação coletados durante a campanha no OES.<br />
Novamente, são analisados os dados de S 4 dos satélites de maior elevação a cada 1 minuto.<br />
A Figura 6.9 mostra as variações temporais da intensidade de luminescência atmosférica (630<br />
nm) durante as noites de observação da campanha.<br />
94
Fig. 6.8 – Conjunto de dados de cintilação coletados durante a campanha realizada no<br />
OES/INPE.<br />
95
Fig. 6.9 - Conjunto de dados de luminescência atmosférica coletados durante a campanha<br />
realizada no OES/INPE. Nos dias 10 a 13, 15 e 17 de março não foram<br />
coletados dados devido as condições climáticas desfavoráveis.<br />
Nos dias 10 a 13 e nos dias 15 e 17 de Março, não foi possível operar o fotômetro devido a<br />
condições climáticas desfavoráveis (nuvens e chuvas). Nos dias 18 e 19 de março, apesar do<br />
céu estar nublado, operou-se o fotômetro, contudo, observa-se um nível de ruído nos dados,<br />
principalmente no dia 19.<br />
6.3.2 Interpretação das observações<br />
A Figura 6.8 mostra que não foram observadas cintilações sobre o OES somente nos dias 09<br />
e 11 de março de 2002. Observa-se também que a intensidade das cintilações sobre o OES<br />
é muito mais forte que a intensidade das cintilações observadas em São Luís (SLZ). No OES,<br />
muitas vezes o índice S 4 excede 1 (efeito de foco). Esta alta intensidade de cintilação também<br />
indica uma alta densidade eletrônica da camada F que pode ser associada à Anomalia<br />
Equatorial.<br />
Em todos os dias em que foram realizadas medidas de luminescência atmosférica,<br />
observaram-se bolhas ionosféricas, com exceção do dia 09/03/2002. Neste dia, também não<br />
observaram-se cintilações nos sinais GPS no OES. No dia 11/03/2001 somente realizaram-se<br />
medidas de cintilações as quais não ocorreram sobre o OES neste dia. Uma inspeção nos<br />
dados de SLZ e São José dos Campos (SJC) para os dias 09/03/2002 e 11/03/2002 (não<br />
mostrados aqui) indica que plumas no radar e cintilações em sinais GPS foram observadas no<br />
equador e sobre SJC. Isto indica que as bolhas foram geradas no equador mas não se<br />
elevaram a uma altura suficiente para que alcançassem a latitude do OES ou que as bolhas<br />
96
foram geradas em longitudes situadas entre as longitudes do OES e SJC e por moverem-se<br />
tipicamente para leste não foram observadas no OES. No dia 09/03/2002 a bolha não foi<br />
observada nem mesmo em SJC.<br />
As latitudes dip do OES e SJC não são muito diferentes, -18,57 o e –18,01 o , respectivamente.<br />
Isto sugere que a ocorrência de cintilação sobre SJC juntamente com a ausência de<br />
cintilações sobre o OES possa estar associada ao fato destas duas estações estarem<br />
separadas longitudinalmente e apresentarem diferentes valores de declinação,<br />
OES e –20.03 o em SJC.<br />
-12.90 o no<br />
6.3.3 Comparação entre os dados de luminescência e de cintilação<br />
A Figura 6.10 mostra simultaneamente dados de luminescência e dados de cintilação para os<br />
dias em que o fotômetro pôde ser operado. Depleções da intensidade de luminescência<br />
atmosférica identificadas como bolhas ionosféricas são indicadas por setas (6). Pode-se<br />
observar que a ocorrência de cintilações, principalmente para o período antes da meia-noite<br />
local, está muito bem relacionada com a ocorrência das bolhas ionosféricas. Uma diminuição<br />
súbita da intensidade de luminescência, que caracteriza uma bolha, ocorre juntamente com o<br />
aumento da atividade de cintilação descrito pelo índice S 4 . Isto é uma evidência de que<br />
cintilações, pelo menos em sinais da Banda L, observadas em baixas latitudes são causadas<br />
por irregularidades imersas em bolhas ionosféricas.<br />
Para o período após a meia-noite local, a passagem de uma bolha ionosférica não implica na<br />
ocorrência de cintilações no sinal GPS. Isto pode ser explicado em termos do<br />
desaparecimento mais rápido das irregularidades de menores escalas de tamanho que causam<br />
as cintilações. Após a meia-noite, somente irregularidades de maior escala de tamanho ainda<br />
97
existem. Estas irregularidades podem causar ESF nos ionogramas ou depleções na<br />
intensidade de aeroluminescência, não causando efeito algum nos sinais GPS.<br />
Basu et al. (1983) realizaram estudos com medidas simultâneas de cintilações (1,54 GHz) e<br />
medidas in situ de densidade eletrônica com o satélite AE-E sobre a Ilha de Ascension (-<br />
14,4 o latitude dip). Eles observaram que as bolhas que ocorrem antes da meia noite local<br />
apresentam um desvio RMS médio da densidade eletrônica local muito maior do que<br />
apresentam as bolhas que ocorrem após a meia-noite local. As medidas de densidade<br />
eletrônica do satélite AE-E foram realizadas a uma altitude de 435 km. Isto explica a fraca<br />
intensidade de cintilações após a meia-noite local.<br />
Fig. 6.10 - Exemplos de observações de depleções na intensidade de luminescência<br />
atmosférica (bolhas ionosféricas) e cintilações para três dias da campanha de<br />
observação no OES/INPE. As setas (6) indicam a ocorrência das bolhas<br />
ionosféricas.<br />
98
Outro ponto interessante a ser observado nos dados de cintilação e luminescência atmosférica<br />
é que várias estruturas são observadas sobre o OES. Estas estruturas podem fazer parte da<br />
mesma bolha, visto que tendem a ramificar-se à medida em que alcançam maiores latitudes<br />
(Takahashi et al., 2001), ou seja, quando as bolhas alcançam maiores alturas no equador. A<br />
correspondência entre as depleções na intensidade da luminescência e aumento do índice S 4 é<br />
boa o suficiente para identificar tais estruturas a partir dos dados de cintilação mesmo estes<br />
dados sendo obtidos de vários satélites movendo-se em distintas órbitas. A diferença no<br />
tempo de início das depleções de luminescência e aumento do S 4 pode ser devido à<br />
localização (azimute) dos satélites. Satélites ao oeste podem observar as irregularidades<br />
primeiro que o fotômetro já que as bolhas se movem, em condições geomagnéticas normais,<br />
para leste. Satélites ao leste irão observar as irregularidades algum tempo depois do<br />
fotômetro.<br />
6.3.4 Extensão latitudinal das bolhas ionosféricas<br />
Combinando dados de cintilação coletados em São José dos Campos, Cuiabá, Manaus e<br />
São Luís, durante o período da campanha de observações em São Martinho da Serra,<br />
analisou-se a extensão latitudinal (em termos de latitude dip) das irregularidades ionosféricas.<br />
Considerando que as irregularidades que causam cintilação nos sinais GPS estão imersas em<br />
bolhas ionosféricas, esta também é uma estimativa da extensão latitudinal das bolhas<br />
ionosféricas.<br />
A Figura 6.11 mostra a intensidade das cintilações sobre o ponto sub-ionosférico (400km)<br />
para todos os dados coletados entre 21 e 03 UT do dia 17/03/2002. Em cada ponto subionosférico<br />
é plotado um círculo de cor correspondente à intensidade da cintilação (S 4 ).<br />
Cintilações mais intensas também são representadas por círculo maiores. Adicionalmente são<br />
mostradas isolinhas de latitude dip.<br />
99
A Figura 6.11 mostra que as cintilações podem ocorrer até mesmo em torno de -27 o de<br />
latitude dip, latitude máxima observada pelos receptores GPS. Observa-se também que a<br />
intensidade das cintilações é maior sobre a região próxima a -17 o de latitude dip. Esta é uma<br />
forte evidência do efeito da Anomalia de Appleton sobre a magnitude das cintilações e que<br />
será analisado novamente no Capítulo 8.<br />
Fig. 6.11 – Distribuição espacial das cintilações sobre o território brasileiro para o dia 17 de<br />
março de 2002, no período das 18 às 24 LT. Cintilações mais intensas são<br />
observadas na região da Anomalia Equatorial, em torno de –18 o latitude dip.<br />
100
CAPÍTULO 7<br />
RESULTADOS E DISCUSSÕES II: ESTUDO ESTATÍSTICO DAS<br />
CINTILAÇÕES<br />
7.1 Observações de cintilação em São José dos Campos<br />
Desde setembro de 1997, o Grupo de Ionosfera da DAE/INPE realiza observações<br />
contínuas das cintilações ionosféricas no sinal GPS (L1 = 1,575 GHz) em São José dos<br />
Campos (SJC), utilizando um receptor SCINTMON. O conjunto de dados coletados em<br />
SJC permite analisar, pela primeira vez, vários aspectos da ocorrência de irregularidades<br />
que causam cintilações no sinal GPS para baixas latitudes do setor Brasileiro de<br />
longitude, tais como:<br />
q<br />
q<br />
q<br />
Variação temporal diária de ocorrência<br />
Sazonalidade<br />
Efeitos da atividade solar sobre a ocorrência das irregularidades e intensidade<br />
das cintilações<br />
A variação do fluxo solar desde 1997 até 2002 pode ser observado na Figura 7.1,<br />
representado pelo índice F10.7, que é o fluxo solar de rádio (10,7 cm) expresso em W<br />
Hz -1 m -2 , multiplicado por 10 22 (Schunk e Nagy, 2000). Observa-se que o período de<br />
1997 ao fim de 2001 consiste de um período de crescente atividade solar, enquanto que<br />
existe uma tendência de decréscimo da atividade solar no período de janeiro à junho de<br />
2002.<br />
Para se ter uma visão geral da ocorrência de irregularidades que causam cintilações no<br />
sinal L1 do GPS, calculou-se a porcentagem mensal de ocorrência para cada minuto<br />
101
entre as 18 e as 06 horas locais. Para isto, utilizaram-se as informações gravadas nos<br />
arquivos sumários de dados coletados pelo receptor SCINTMON de SJC.<br />
Fig. 7.1 - Variação do fluxo solar representado pelo índice diário F10.7, desde janeiro<br />
de 1997 até junho de 2002<br />
A freqüência de ocorrência das irregularidades foi calculada a partir da razão entre o<br />
número de minutos em que houve ocorrência de irregularidades e o número total de<br />
minutos de observação. Assume-se uma ocorrência de irregularidade, quando pelo<br />
menos um satélite, dentro do intervalo de 1 minuto e dentro do cone de 45 o de elevação,<br />
apresenta o seu sinal cintilando com S 4 maior que um nível limite. Em geral, existem<br />
dois ou três satélites com elevação maior que 45 o . Foram considerados dois níveis<br />
limites: S 4 > 0,2, englobando cintilação cintilações fracas e fortes e S 4 > 0,5 englobando<br />
apenas casos de fortes cintilações. Com esta metodologia estuda-se a ocorrência das<br />
irregularidades que causam cintilação, independente de quantos satélites são afetados<br />
por estas irregularidades.<br />
Foram utilizados somente dados de satélites com elevação maior que 45 o com o objetivo<br />
de estudar-se a ocorrência das irregularidades na região ionosférica sobre SJC. Também<br />
foram utilizados apenas dados de dias geomagneticamente calmos. Considerou-se um<br />
dia geomagneticamente calmo, aquele dia no qual o valor do índice Kp não atingiu 4 em<br />
qualquer dos seus 8 valores diários e nos dois primeiros valores (6 horas iniciais) do dia<br />
102
seguinte. Isto assegura que não ocorreram perturbações geomagnéticas durante o<br />
período de observação e nem mesmo 18 horas antes do início das observações.<br />
Para dias nos quais não havia dados em SJC, foram utilizados dados gravados pela<br />
estação de Cachoeira Paulista (CP). A estação de CP apresenta o mesmo padrão de<br />
ocorrência de cintilação de SJC pois está localizada a apenas 110 km de SJC.<br />
A Figura 7.2 mostra a ocorrência das irregularidades que causam cintilações fracas (S 4<br />
> 0,2) e fortes (S 4 > 0,5) desde setembro de 1997 à junho de 2002. Na mesma figura é<br />
mostrada a variação do fluxo solar mensal médio. O fluxo solar médio foi calculado a<br />
partir da média aritmética dos valores diários de F10.7 para os dias utilizados na<br />
estatística de ocorrência.<br />
Fig. 7.2 – Freqüência mensal de ocorrência de irregularidades que causam cintilações<br />
fracas ou fortes (a), somente cintilações fortes (b) e variação da média<br />
mensal do fluxo solar (c).<br />
103
Pode-se observar na Figura 7.2 que a ocorrência de irregularidades sobre SJC apresenta<br />
um comportamento sazonal. Observa-se também que a ocorrência de irregularidades,<br />
principalmente aquelas que causam fortes cintilações (S 4 > 0,5), tende a aumentar com o<br />
fluxo solar, principalmente do período de 1997 a 2001. De 2001 a 2002, mesmo com o<br />
aumento do fluxo (valor máximo) de aproximadamente 1<strong>80</strong> para 240, não se observa<br />
um aumento apreciável da ocorrência de irregularidades. Contudo, os gráficos (a) e (b)<br />
da Figura 7.2 apresentam uma visão geral da ocorrência de irregularidades sobre SJC e<br />
de como esta ocorrência variou com o fluxo solar durante o período das observações<br />
desde 1997 até 2002, considerando-se apenas os dias geomagneticamente calmos.<br />
A Figura 7.3 mostra a variação ao longo dos anos e também ao longo das horas de<br />
observação da ocorrência das irregularidades ionosféricas (S 4 > 0,2). Os dados<br />
utilizados nos gráficos da Figura 7.3 são os mesmos que foram utilizados para gerar o<br />
gráfico de cores da Figura 7.2, entretanto, para a Figura 7.3, os dados foram suavizados<br />
utilizando uma média corrida de 15 pontos (ou 15 minutos).<br />
Nas próximas seções serão analisados alguns aspectos dos resultados mostrados nas<br />
Figuras 7.2 e 7.3, tais como: (i) variação temporal ao longo da noite da ocorrência das<br />
irregularidades, (ii) variação da ocorrência das irregularidades ao longo do ano e sua<br />
sazonalidade, e (iii) efeito do fluxo solar sobre a ocorrência das irregularidades.<br />
104
Porcentagem de Ocorrência<br />
Fig. 7.3 - Porcentagem de ocorrência das irregularidades ionosféricas que causam S 4 ><br />
0,2 para os anos de 1997/1998, 1998/1999, 1999/2000, 2000/2001 e<br />
2001/2002.<br />
7.2 Variação temporal diária<br />
Na Figura 7.4 é mostrada a variação temporal média da ocorrência de cintilações ao<br />
longo da noite. Cada curva representa uma temporada (ou período) de ocorrência de<br />
cintilações. Por exemplo, para a temporada 1997-1998 foi calculada a média de<br />
ocorrência (S 4 > 0,2), a cada 15 minutos, com os dados dos meses de setembro de 1997<br />
a abril de 1998. Os dados utilizados neste gráfico são os mesmos utilizados nos gráficos<br />
das Figuras 7.2 e 7.3. Na legenda da Figura 7.4 também é indicado o valor de fluxo<br />
solar médio durante o período de cada temporada (setembro a abril).<br />
105
Fig. 7.4 – (a) Variação temporal média da ocorrência de irregularidades que causam S 4<br />
> 0,2 sobre São José dos Campos para diversas temporadas de ocorrência.<br />
A Figura 7.4 indica que as irregularidades começam a ser observadas em SJC em torno<br />
das 20:00 LT e duram até as 02:00 LT. A máxima ocorrência ocorre em torno das 22:00<br />
LT. Na temporada de mais baixa atividade solar (1997-1998), as irregularidades<br />
começam a ser observadas mais tarde e não duram tanto tempo como nos demais anos.<br />
Este período de ocorrência está de acordo com trabalhos prévios, como por exemplo<br />
(Basu e Basu, 1985; Kil et al., 2002). As irregularidades que causam cintilações em<br />
sinais com freqüência na faixa de GHz estão imersas em bolhas ionosféricas que são<br />
geradas no equador magnético logo após o pôr-do-sol e demoram aproximadamente 1,5<br />
hora (sob condições de atividade solar máxima) para alcançar uma altura no equador<br />
suficiente para mapear na latitude de SJC (Abdu et al., 1998).<br />
A Figura 7.4 também mostra que o período de ocorrência das irregularidades que<br />
causam cintilação no sinal GPS é mais curto que o período de ocorrência das<br />
irregularidades que causam espalhamento nos ionogramas (Abdu et al., 1998; Abdu et<br />
al., 2000). Este resultado está de acordo com as comparações realizadas no Capítulo 6,<br />
onde sugeriu-se que as irregularidades que causam cintilação apresentam um<br />
decaimento mais rápido que as irregularidades que causam espalhamento nos<br />
ionogramas devido a sua menor escala de tamanho. As irregularidades que causam<br />
cintilação nos sinais GPS são observadas até aproximadamente 02:00 LT, enquanto que<br />
106
as irregularidades que causam espalhamento nos ionogramas duram até<br />
aproximadamente o amanhecer local.<br />
É importante salientar que a ocorrência de irregularidades que causam cintilações é<br />
possível de ser observada após 02:00 LT. A geração de irregularidades após o período<br />
normal de sua ocorrência está associada à distúrbios geomagnéticos e conseqüente<br />
dínamo perturbado e penetração de campos elétricos gerados em altas latitudes.<br />
Irregularidades geradas por distúrbios geomagnéticos não são abordadas neste trabalho.<br />
7.3 Sazonalidade<br />
Na Figura 7.5 é mostrada a porcentagem de tempo, entre 20:00 e 01:00 LT, no qual<br />
observou-se a ocorrência de cintilações com S 4 > 0,2 e S 4 > 0,5. Novamente, esta<br />
estatística é calculada somente para satélites com elevação acima de 45 o e para dias<br />
geomagneticamente calmos. A partir desta figura é possível observar mais claramente o<br />
comportamento sazonal da ocorrência das irregularidades que causam cintilação no<br />
sinal de GPS. As irregularidades ocorrem predominantemente nos meses de setembro a<br />
abril.<br />
Esta sazonalidade está de acordo com trabalhos prévios de estatística de ocorrência do<br />
ESF em ionogramas (Abdu et al., 1992; Abdu et al., 1998 e Abdu et al., 2000) e<br />
estatística de ocorrência de bolhas (Sobral et al., 2002) para dados coletados em CP.<br />
Tanto o ESF em ionogramas quanto as bolhas ionosféricas são geradas pelos mesmos<br />
processos de instabilidade de plasma, apesar de envolverem escalas de tamanho<br />
distintas. O espalhamento nos ionogramas pode ser causado por irregularidades<br />
quilométricas locais ou irregularidades localizadas na porção inferior da camada F.<br />
Somente a ocorrência simultânea de ESF nos ionogramas de São Luís (SLZ) e de CP<br />
107
pode ser considerado como evidência da ocorrência de bolhas ionosféricas que se<br />
estendem desde o equador até a latitude magnética de CP.<br />
Fig. 7.5 - Porcentagem do tempo entre as 20:00 e 01:00 LT no qual foram observadas<br />
irregularidades que causam cintilações com S 4 > 0,2 e com S 4 > 0,5 no sinal<br />
GPS em função do mês, para o anos de 1997 a 2002.<br />
A ocorrência de irregularidades durante o solstício de dezembro e meses de equinócio é<br />
explicada em termos da configuração da linha do terminador noite-dia em relação ao<br />
meridiano magnético. Durante estes meses, o vento termosférico sopra através do<br />
terminador noite-dia com um pequena componente meridional. Esta configuração<br />
favorece o surgimento do campo elétrico de pré-reversão devido ao alto gradiente<br />
longitudinal da condutividade Pedersen das camadas E conjugadas (Abdu et al., 1992).<br />
A Figura 7.6 mostra valores de deriva vertical equatorial da camada F em função da<br />
hora local para 4 setores de longitude, conforme modelo empírico baseado em medidas<br />
108
ealizadas pelo satélite Atmosphere Explorer E (AE-E) (Fejer et al., 1995). Os valores<br />
de deriva vertical para o setor Brasileiro seriam próximos àqueles mostrados para o<br />
setor de 320 o Leste. Segundo a Figura 7.6, observa-se um pico pré-reversão apenas no<br />
período de setembro a abril, exatamente quando observa-se a ocorrência das<br />
irregularidades ionosféricas que causam cintilação nos sinais GPS, espalhamento nos<br />
traços de ionogramas e depleções na intensidade de aeroluminescência atmosférica.<br />
Fig. 7.6 - Modelo empírico de deriva vertical do plasma ionosférico em 4 setores de<br />
longitude e para três períodos do ano (-o-). Estes resultados são válidos para<br />
atividade magnética baixa e atividade solar moderada a alta. No setor de 260 o<br />
L, também são mostrados os valores de deriva vertical, medidos pelo radar de<br />
Jicamarca (⎯) para condições magnéticas e solares similares.<br />
Fonte: Fejer et al. (1995, p. 5774).<br />
Como visto no Capítulo 4, um campo elétrico de pré-reversão intenso atua de duas<br />
maneiras na geração do ESF. A primeira maneira estaria relacionada ao aumento do<br />
termo de deriva de plasma (E×B) na taxa de crescimento da instabilidade RT (Equação<br />
109
3.1). A segunda maneira estaria relacionada ao termo de colisão, pois um campo elétrico<br />
intenso faria com que a camada subisse até alturas onde a freqüência de colisão é<br />
pequena, fazendo com que o termo (g/ν in ) também aumentasse a taxa de crescimento<br />
das instabilidades.<br />
7.4 Efeito do fluxo solar<br />
Nas Figuras 7.2, 7.3 e 7.4 observa-se que o fluxo solar também parece atuar de forma a<br />
aumentar a ocorrência das irregularidades que causam cintilações. A Figura 7.7 (a)<br />
mostra a porcentagem mensal do tempo entre às 20:00 e 01:00 LT no qual observa-se a<br />
ocorrência de irregularidades causando cintilações (mesmos valores da Figura 7.5). No<br />
painel (b) é mostrada a média mensal do índice F10.7.<br />
(a)<br />
(b)<br />
Fig. 7.7 – (a) porcentagem mensal do tempo (21:00 - 01:00 LT) no qual são observadas<br />
irregularidades que causam cintilações. (b) Variação do fluxo solar.<br />
Apesar da relação entre F10.7 e a ocorrência de irregularidades não ser exatamente<br />
proporcional, observa-se que a ocorrência aumenta com o fluxo solar, principalmente da<br />
temporada 1997/1998 a 1999/2000 para irregularidades que causam cintilação com S 4 ><br />
110
0,2 e da temporada 1997/1998 a 2000/2001 para irregularidades que causam cintilação<br />
com S 4 > 0,5.<br />
Apesar do fluxo solar aumentar consideravelmente da temporada de 2000/2001 para<br />
2001/2002, a ocorrência das irregularidades não aumenta muito. A Figura 7.4 ilustra<br />
bem este efeito. Com o aumento do fluxo de solar (F10.7) médio de 99 (1997-1998)<br />
para 131 (1998-1999) e, logo em seguida, para 172 (1999-2000), a ocorrência das<br />
irregularidades apresenta um sensível aumento. Contudo, a variação do fluxo solar para<br />
165 (2000-2001) e 208 (2001-2002) não causa uma variação tão apreciável na<br />
ocorrência.<br />
Este efeito pode estar relacionado à saturação da densidade eletrônica ambiente que não<br />
variaria muito após um certo nível de F10.7 e também a um valor limite de ocorrência<br />
de bolhas, ou seja, a ocorrência de bolhas ionosféricas não aumentaria muito após um<br />
certo nível de F10.7. Chen et al., 2000 realizaram um estudo estatístico do efeito de<br />
saturação do foF2 em regiões próximas ao pico da Anomalia de Appleton. A saturação<br />
do foF2 ocorreu quando o número de manchas solares era próximo de 120 (F10.7 ~<br />
150).<br />
Outra explicação possível para que a ocorrência das irregularidades não varie muito de<br />
2000/2001 para 2001/2002 é o movimento do pico da Anomalia Equatorial. A<br />
localização do pico da Anomalia Equatorial tende a se afastar do equador magnético<br />
com o aumento da atividade solar. Com o aumento da atividade solar o pico préreversão<br />
é intensificado e o plasma equatorial é depositado em maiores latitudes. É<br />
possível que, com o aumento do fluxo solar o pico da Anomalia de Appleton se situe em<br />
latitudes maiores que a de SJC, fazendo com que a intensidade e ocorrência das<br />
cintilações observadas diminuam.<br />
Tanto a explicação com base no fenômeno de saturação, quanto a explicação com base<br />
no movimento do pico da Anomalia Equatorial são hipóteses e maiores estudos devem<br />
111
ser realizados no futuro com medidas simultâneas de cintilações, CET e deriva vertical<br />
do plasma no equador.<br />
Abdu et al. (1983b) sugeriram a necessidade de que a camada F atingisse uma altura<br />
mínima para que ocorresse o ESF enquanto Fejer et al. (1999) mostraram que a<br />
velocidade do pico pré-reversão aumenta com o fluxo solar. Com o aumento da<br />
velocidade do pico pré-reversão, existe uma maior probabilidade da camada atingir a<br />
altura mínima para a ocorrência do ESF, explicando a maior ocorrência de<br />
irregularidades durante períodos de alta atividade solar. Além disso, durante período de<br />
atividade solar alta, as bolhas ionosféricas nas quais as irregularidades estão imersas<br />
podem alcançar mais facilmente a latitude de SJC. Isto também faz com que a<br />
porcentagem de ocorrência aumente com o fluxo solar.<br />
A Figura 7.8 mostra um gráfico da distribuição dos valores de S 4 observados durante o<br />
período das 18:00 às 06:00 LT. Para a geração deste gráfico foram utilizados todos os<br />
dados de satélites com elevação maior que 45 o . Os valores de S 4 estão distribuídos por<br />
faixas e por mês, desde setembro/97 até junho/02, juntamente com a variação da média<br />
mensal do F10.7. Este gráfico nos dá informação sobre a probabilidade de se encontrar<br />
valores de S 4 dentro de uma determinada faixa, como por exemplo, de 0,2 a 0,3 ou de<br />
0,3 a 0,4 e assim por diante em um dado mês do conjunto de dados analisados. Este<br />
gráfico também mostra que a ocorrência de cintilações com maior intensidade tende a<br />
aumentar com o fluxo solar. Por exemplo, na temporada de ESF 1997/1998, as<br />
cintilações não excederam 0,4 enquanto que nas temporadas 2000/2001 e 2001/2002<br />
observou-se aproximadamente 2 a 3% das cintilações com valores na faixa de 0,9 a 1,1.<br />
Na Figura 7.9 é mostrado o resultado do cálculo da distribuição cumulativa dos valores<br />
de S 4 observados em SJC em um gráfico do tipo contorno. Diferente da distribuição por<br />
faixas, a distribuição cumulativa calcula a porcentagem de ocorrência do S 4 acima de<br />
determinados valores, por exemplo S 4 >0,2, S 4 >0,3 e assim por diante. Este gráfico<br />
também mostra que maiores magnitudes de S 4 são mais facilmente observadas durante<br />
112
os períodos de maior atividade solar. Em novembro de 1997, valores de S 4 > 0,35<br />
apresentam uma probabilidade de ocorrência menor que 5%, enquanto que em<br />
novembro de 2001, esta mesma probabilidade é observada para S 4 > 0.9.<br />
Fig. 7.8 – (a) Distribuição de índices S 4 observados por faixas de valores e (b) fluxo<br />
solar médio mensal.<br />
As Figuras 7.8 e 7.9 mostram ainda que existem picos de maior intensidade das<br />
cintilações que ocorrem no período de setembro/outubro e março/abril. Estes picos<br />
podem ser causados por dois motivos: (i) durante estes meses, o pico pré-reversão do<br />
campo elétrico é mais intenso (Figura 7.6), fazendo com que a densidade eletrônica na<br />
região da Anomalia de Appleton seja mais pronunciada. (ii) A maior intensidade das<br />
cintilações também pode estar associada à maior densidade eletrônica ambiente que<br />
ocorre nos equinócios. Souza (1992) fez um estudo do CET sobre Cachoeira Paulista e<br />
observou maiores valores da Anomalia de Appleton noturna durante os meses de<br />
113
março/abril e setembro/outubro, o que está de acordo com a explicação para as maiores<br />
intensidades das cintilações.<br />
Fig. 7.9 – (a) Distribuição cumulativa mensal dos valores de S 4 e (b) fluxo solar médio<br />
mensal.<br />
A partir dos dados das Figuras 7.8 e 7.9 e de acordo com a teoria das cintilações pode-se<br />
supor que o desvio RMS de densidade (∆N) ou a largura da camada que contém as<br />
irregularidades (L) aumenta com o fluxo solar. Lembrando que ∆N/N = α.δE ou que<br />
∆N = α.N.δE, (α é uma constante de proporcionalidade) pode-se associar o aumento de<br />
∆N ao aumento da ionização ambiente N ou ao aumento do campo elétrico de<br />
perturbação δE. O aumento da ionização com o fluxo solar é um efeito bastante<br />
conhecido, contudo não existem muitas informações sobre a variação do δE com o ciclo<br />
solar.<br />
114
Na Figura 7.9 é possível observar também que somente no mês de março do ano 2002<br />
ocorreu um aumento da magnitude das cintilações com relação ao ano de 2001. Nesta<br />
época o fluxo solar estava diminuindo e o pico da Anomalia Equatorial tende a ocorrer<br />
em menores latitudes, podendo ocorrer então sobre SJC novamente fazendo com que a<br />
ocorrência de irregularidades aumente. A Figura 7.7 também mostra que a ocorrência<br />
das irregularidades apresentou uma tendência de aumento no mês de março de 2002.<br />
115
CAPÍTULO 8<br />
RESULTADOS E DISCUSSÕES III: MEDIDAS DE CET E CINTILAÇÕES<br />
O Conteúdo Eletrônico Total (CET) derivado de observáveis GPS vem cada vez mais<br />
sendo utilizado por diversos autores para estudos da climatologia ionosférica, criação de<br />
mapas regionais ou globais da distribuição do CET vertical (CETV) (Jakowski, 1996;<br />
Manucci et al., 1998; Kantor et al., 2000) e mais recentemente para estudar a dinâmica<br />
da ionosfera equatorial (Mendillo et al., 2000; Valladares et al., 2001 e Mendillo et al.,<br />
2001). Atualmente, a DAE/INPE também possui um projeto de estudo dos efeitos das<br />
tempestades magnéticas sobre o CETV.<br />
Com o objetivo de aprender um pouco mais sobre a estimativa do CET a partir de dados<br />
de observáveis GPS e estudar o comportamento do CETV sobre o território Brasileiro<br />
durante eventos da camada F espalhada (ESF), a DAE/INPE adquiriu dois receptores do<br />
tipo dupla-freqüência (receptores TurboRogue ICS-4000Z). A descrição destes<br />
receptores e dos dados que eles geram é apresentada no Capítulo 5 desta dissertação.<br />
Neste capítulo são apresentados alguns resultados referentes a medidas do CET a partir<br />
das observáveis GPS. Estes resultados incluem a observação de flutuações de CET<br />
devido a bolhas ionosféricas, variação diária do CETV sobre São José dos Campos<br />
(SJC) e São Luís (SLZ), perfis latitudinais do CET, dentre outras observações.<br />
Os dois receptores ICS-4000Z foram estrategicamente instalados em SLZ, no equador<br />
magnético, e SJC, localizado próximo ao pico da Anomalia de Appleton, que localiza-se<br />
nominalmente em aproximadamente 15 o de latitude dip Norte e Sul. A localização<br />
destes receptores permite estudar o CETV em uma faixa de latitudes dip que varia desde<br />
aproximadamente +10 o até aproximadamente –30 o no caso de serem utilizados dados de<br />
satélites GPS com elevação maior que 20 o .<br />
117
A Figura 8.1 mostra a localização dos dois receptores e os círculos que compreendem a<br />
máscara de 20 o de elevação considerando-se pontos sub-ionosféricos a 400 km de<br />
altura.<br />
Fig. 8.1 – Localização dos receptores GPS em São Luís (SLZ) e São José dos Campos<br />
(SJC). Isolinhas de latitude dip também são mostradas.<br />
A estação GPS de SLZ operou de forma contínua desde janeiro de 2001 até fevereiro de<br />
2002, enquanto que a estação de SJC operou de forma não-sistemática de agosto de<br />
2001 a dezembro de 2001. A estação de SJC começou a operar de forma contínua a<br />
partir de janeiro de 2002 até outubro de 2002. Nos primeiros meses de operação, a<br />
estação de SJC apresentou interrupções na coleta de dados devido a problemas no<br />
receptor. Apesar de poder-se analisar a variação sazonal do CETV em SLZ durante o<br />
118
ano de 2001, casos de medidas simultâneas do CET em SLZ e SJC não foram<br />
freqüentes.<br />
É importante salientar que o CET medido pelo GPS é resultado dos elétrons na<br />
ionosfera mais os elétrons da plasmasfera (localizada em altitudes maiores que 1000<br />
km) e, com isto, o CETV medido pelo GPS não representa apenas o valor da densidade<br />
total ionosférica mas também a densidade plasmasférica. Prótons (H + ) são os íons<br />
positivos predominantes na plasmasfera e por isto, a protonosfera é usada como<br />
sinônimo da plasmasfera (Davies, 1990). Estudos da contribuição da protonosfera no<br />
CET medido pelo GPS ainda estão sendo realizados (por exemplo, Lunt et al., 1999)<br />
para casos limitados.<br />
8.1 Medidas do CET<br />
Como citado anteriormente, desenvolveu-se um pacote de rotinas computacionais para<br />
estimativa do CET. Estas rotinas calculam o CET a partir das observáveis GPS (pseudodistância<br />
e pseudo-fase). O princípio teórico no qual baseou-se para estimativa do CET<br />
foi descrito no Capítulo 4 (Seção 4.2). A metodologia para o cálculo do CET e posterior<br />
CETV foi descrito no Capítulo 5 (Seção 5.2.3). Em resumo, pode-se dizer que o CET é<br />
proporcional à diferença entre as pseudo-distâncias medidas pelo sinal L1 e L2 mais as<br />
correções devido ao atraso instrumental dos satélites e dos receptores.<br />
8.2 Flutuação de CET e cintilações<br />
Nesta seção são apresentados alguns exemplos da detecção de bolhas ionosféricas<br />
utilizando medidas simultâneas de CET e amplitude do sinal (razão sinal ruído do<br />
código C/A em L1). As bolhas ionosféricas causam grandes flutuações no CET<br />
juntamente com a cintilação do sinal GPS. A ocorrência de cintilações associadas a<br />
flutuações do CET, com medidas utilizando receptores GPS, foi mostrada recentemente<br />
119
por alguns autores, como por exemplo (Beach e Kintner, 1999 e Kil et al., 2000). As<br />
cintilações ocorrem devido a irregularidades ionosféricas de menores escalas de<br />
tamanho (< 1 km) imersas nas bolhas ionosféricas.<br />
As Figuras 8.2 e 8.3 mostram dois exemplos nos quais observa-se a cintilação no sinal<br />
L1 do GPS simultaneamente à ocorrência de perturbações de CET associadas a bolhas<br />
ionosféricas. Cada unidade CET ou UCET corresponde a 1x10 16 elétrons/m 2 . Estas são<br />
observações típicas, facilmente encontradas durante o período de ocorrência do ESF no<br />
Brasil (setembro à abril).<br />
Fig. 8.2 – Exemplo de medidas simultâneas do CET vertical (painel superior) e<br />
flutuações na amplitude do sinal GPS (painel central) realizadas em SJC<br />
para o dia 04/12/2001 e satélite PRN 01. No painel inferior também é<br />
mostrada a elevação do satélite.<br />
120
Fig. 8.3 – Mesmo que em 8.1, mas para o dia 30/11/2001 e satélite PRN 13.<br />
As Figuras 8.2 e 8.3 também mostram alguns períodos de tempo com falhas de dados.<br />
Estas falhas ocorrem por que o arquivo de dados apresenta valores incorretos de<br />
elevação, como por exemplo elevações maiores que 90 o . Quando o valor de elevação<br />
está incorreto a rotina computacional desenvolvida neste trabalho desconsidera os<br />
valores de pseudo-distância e pseudo-fase. Estes valores não são considerados porque,<br />
sem os valores de elevação, não é possível calcular o CET vertical.<br />
Uma análise dos dados mostra que estas falhas ocorrem principalmente durante<br />
cintilações, mas também podem ocorrer, com menor freqüência, durante períodos sem<br />
cintilações. Este problema com os dados pode ser uma evidência do efeito das<br />
cintilações na perda de sinal pelo receptor ou um problema no programa de conversão<br />
de arquivos binários para arquivos texto.<br />
121
8.3 Variação Diária do CET Vertical<br />
A partir das observáveis GPS coletadas, determinou-se a variação do CET vertical<br />
(CETV) através da relação dada pela Equação (4.54), que converte o valor de CET<br />
medido obliquamente (com elevação E) para o seu valor equivalente na direção vertical.<br />
Para a determinação da variação diária do CETV somente foram utilizados dados de<br />
satélites com elevação maior que 50 o . Este critério foi adotado para evitar influências na<br />
determinação do CET vertical causadas por gradientes espaciais de densidade. Cabe<br />
lembrar também que o método utilizado para obtenção do CETV considera uma<br />
ionosfera horizontalmente estratificada sem gradientes. A desvantagem de se trabalhar<br />
somente com dados de satélites dentro de um cone de elevação é que existem períodos<br />
do dia nos quais não existem satélites com a elevação mínima. Contudo, os valores de<br />
CET para os intervalos de tempo nos quais não existem satélites com a elevação mínima<br />
podem ser estimados por técnicas de interpolação.<br />
Na Figura 8.4 são mostrados resultados do cálculo da variação do CETV em SLZ e SJC<br />
para o dia 22/09/2001. Nos painéis superiores (a1 e b1) são mostrados valores de CETV<br />
obtidos através de medidas de código e de fase para SJC e SLZ, respectivamente. Nos<br />
painéis inferiores (a2 e b2) são mostrados valores médios do CETV calculados para<br />
intervalos de 30 minutos. Observa-se que existem períodos de tempo nos quais não<br />
existem estimativas do CETV. Isto ocorre devido à ausência de satélites com elevação<br />
maior que 50 o naquele dado intervalo de tempo.<br />
122
Fig. 8.4 – Curvas de variação do CET vertical sobre SJC (a1) e SLZ (b1) para o dia<br />
22/09/2001, obtidas através de medidas de código (•) e fase (•). Em (a2) e<br />
(b2) são mostrados valores médios (30 minutos) do CETV para SJC e SLZ,<br />
respectivamente.<br />
Observa-se que, na Figura 8.4, a curva do CETV para SJC apresenta um pico<br />
secundário entre aproximadamente 20:00 e 23:00 LT. Este pico é causado pelo forte<br />
Efeito Fonte associado ao pico pré-reversão do campo elétrico zonal equatorial, que<br />
ocorre em torno das 18:00 LT e que eleva o plasma da região equatorial. Algum tempo<br />
depois este plasma se difunde ao longo das linhas de campo magnético até baixas<br />
latitudes criando a Anomalia Equatorial. Além do aumento do CETV, também observase<br />
flutuações do CETV neste período. Estas flutuações do CETV são depleções do<br />
plasma causadas por bolhas ionosféricas.<br />
Na Figura 8.5 é mostrada a variação diária do CETV em SJC e SLZ para o dia<br />
09/08/2001. De acordo com os dados de cintilação apresentados no Capítulo 7, agosto é<br />
123
um mês no qual a ocorrência de irregularidades é muito baixa (ver Figura 7.4). Neste<br />
período a camada não atinge elevadas altitudes devido à fraca deriva vertical E×B no<br />
equador. Isto faz com que o valor da taxa de crescimento da instabilidade Rayleigh-<br />
Taylor (γ) não seja tão elevado e o Efeito Fonte não seja observado.<br />
Fig. 8.5 - Mesmo que 8.4 mas para o dia 09/08/2001.<br />
A análise da variação diária do CETV em SLZ e SJC mostra que a Anomalia Equatorial<br />
em termos de CETV não aparece no período diurno. Os exemplos dos dias 22/09/2001 e<br />
09/08/2001 nas Figuras 8.4 e 8.5 mostram que o CETV é maior em SLZ do que SJC<br />
durante o dia.<br />
124
8.4 Estimativa da ocorrência de irregularidades através de medidas do CET<br />
Também foi estudado um método para identificar a ocorrência das irregularidades<br />
ionosféricas, a partir das flutuações de CETV (medido por diferença de fase). Para isto,<br />
estimou-se a flutuação de CETV medido por cada satélite a cada intervalo de 5 minutos<br />
durante todo o decorrer do dia.<br />
Para se ter uma estimativa da taxa da variação ou flutuação do CETV calculou-se o<br />
desvio RMS (“Root-Mean-Square”) a partir de uma interpolação linear, ou seja, para<br />
cada intervalo de 5 minutos (e para cada satélite) calculou-se um reta que ajusta o<br />
conjunto de valores de CETV para aquele intervalo de tempo. Desta forma, o desvio de<br />
CET é dado por:<br />
∑ ( CETVi<br />
− Pi<br />
)<br />
i 1<br />
Desvio RMS = = M<br />
M<br />
2<br />
(8.1)<br />
Onde, CETV i é valor do i-ésimo ponto do conjunto de dados; P i é o valor da reta que<br />
ajusta o conjunto de valores para o ponto i; e M é o número total de pontos dentro do<br />
intervalo de 5 minutos.<br />
Existem várias maneiras possíveis de calcular o desvio de CET ou CETV, entretanto,<br />
adotou-se este método pois alguns autores mencionam que a magnitude das cintilações<br />
depende, além de outros fatores, do desvio RMS de densidade integrada ao longo do<br />
caminho de propagação, dentro da largura L da camada de irregularidades. Cabe<br />
lembrar que o desvio RMS do CETV não é o mesmo desvio RMS de densidade que dá<br />
origem às cintilações, contudo, ambos podem estar relacionados. A ocorrência de<br />
flutuações de CETV indica a ocorrência de flutuações locais de densidade. Contudo, é<br />
possível que se tenha flutuações de CET sem que se observe nenhum efeito de<br />
cintilação.<br />
125
O desvio RMS foi calculado a partir de uma reta que ajusta o conjunto de pontos para<br />
evitar valores de desvio causados por alguma tendência natural do conjunto de dados. A<br />
Figura 8.6 mostra um gráfico no qual são mostrados valores de CETV, as retas<br />
calculadas a cada intervalo de 5 minutos e o desvio RMS resultante.<br />
É importante salientar que, ao tomarmos intervalos de 5 minutos de dados faz-se com<br />
que sejam analisadas flutuações com períodos entre 2 segundos e 10 minutos, segundo o<br />
critério de Nyquist. Considerando uma velocidade média de aproximadamente 100 m/s<br />
(de Paula et al., 2002a), isto significa que o desvio RMS calculado é sensível à<br />
estruturas com escalas de tamanho entre 200 m e 6 km.<br />
Fig. 8.6 - Em (a) é mostrada uma curva de CETV (em cinza) e as várias retas que<br />
ajustam conjuntos de 5 minutos de dados (em preto). Em (b) é mostrado o<br />
valor de desvio RMS resultante (no tempo de início de cada 5 minutos).<br />
126
8.5 Desvio RMS do CET em São Luís e São José dos Campos<br />
Logo após obterem-se os valores de desvio RMS do CETV, os resultados para dados de<br />
SJC e SLZ foram comparados. Para comparação do desvio de CETV em SLZ e SJC, foi<br />
escolhido o dia 22/09/2001. Calculou-se então o desvio de CETV para os dados de<br />
todos os satélites disponíveis durante o dia (12 às 24 LT) e com elevação maior que 50 o .<br />
O resultado é apresentado na Figura 8.7. Nos painéis (a1) e (b1) são mostrados os<br />
valores de CETV para SJC e SLZ, respectivamente. Nos painéis (a2) e (b2) são<br />
mostrados os valores desvio RMS do CETV para SJC e SLZ. De acordo com estes<br />
dados, o desvio RMS de CET é muito maior durante o período noturno quando as<br />
irregularidades ionosféricas se desenvolvem. O desvio de CETV também é muito maior<br />
em SJC do que em SLZ. Na Figura 8.7 (a3) e (b3) também são mostrados os dados de<br />
cintilação coletados por receptores SCINTMON para satélites com elevação maior que<br />
50 o . Estudos de de Paula et al. (2002b) e Rodrigues et al. (2002b) realizados para dados<br />
de cintilação de épocas distintas também mostraram que o S 4 aumenta significantemente<br />
com a latitude dip até a aproximadamente a latitude de SJC.<br />
A Figura 8.8 mostra a porcentagem de ocorrência de cintilações nos sinais GPS, com<br />
dados coletados por três monitores de cintilação instalados em SLZ (-1.73 o latitude dip),<br />
Cuiabá – CBA (-6.56 o latitude dip), e SJC (-18,01 o latitude dip) para o período de<br />
janeiro à março de 2000. A Figura 8.8 representa o resultado principal de uma análise<br />
da variação latitudinal dos valores de S 4 observados no Território Brasileiro e que foi<br />
realizada recentemente por de Paula et al.(2002b). Para esta análise foram utilizados<br />
dados coletados simultaneamente nas três estações (SLZ, CBA e SJC) durante os meses<br />
de janeiro, fevereiro e março de 2000. Para esta estatística foram utilizados todos os<br />
dados disponíveis de satélites com elevação maior que 45 o .<br />
127
Fig. 8.7 – Exemplo da diferença de desvio RMS do CETV observado em SJC e SLZ.<br />
Nos painéis à esquerda são mostrados os valores de CETV (a1), desvio RMS<br />
(a2) e S 4 (a3) para SJC, enquanto que os painéis à direita mostram os mesmos<br />
valores para SLZ.<br />
Observa-se nos dados da Figura 8.8, o claro aumento da porcentagem de cintilações<br />
com o aumento da latitude dip. Em SLZ, praticamente não foram observadas cintilações<br />
com S 4 > 0,3, enquanto que em CBA apenas cintilações com S 4 > 0,5 não foram<br />
observadas. Em SJC, cintilações com S 4 > 0,5 representam mais que 20% do total<br />
observado às 24:00 UT (~21:00 LT).<br />
O aumento do S 4 com a latitude tem sido explicado em termos do CET que aumenta<br />
consideravelmente com a latitude durante o período noturno quando o pico secundário<br />
de densidade causado pela Anomalia Equatorial se desenvolve (Basu et. al, 1988;<br />
Aarons, 1982; de Paula et al., 2002b). As medidas de CETV apresentadas na Figura 8.7<br />
(e demais que serão apresentadas posteriormente) mostram o acentuado aumento do<br />
CETV na latitude de SJC no período das 20:00-24:00 LT. Supondo que a amplitude das<br />
128
irregularidades (∆N/N) se mantenha constante ao longo das linhas de campo é esperado<br />
que ∆N também aumente consideravelmente na latitude de SJC como foi mostrado em<br />
termos de desvio RMS na Figura 8.7. Isto explicaria a ocorrência de cintilações mais<br />
intensas com o aumento da latitude.<br />
Fig. 8.8 – Ocorrência de cintilações de diferentes intensidades para três estações de<br />
observação no Território Brasileiro.<br />
8.6 Variação sazonal do CETV em São Luís<br />
Nesta seção são apresentados resultados da variação sazonal do CETV observado em<br />
SLZ. Nesta estação de observação, os dados de CET foram coletados de janeiro de 2001<br />
até fevereiro de 2002 e, com isto, foi possível determinar o valor médio mensal do<br />
CETV para todo o ano de 2001.<br />
129
Tabela 8.1 – Dias utilizados para o cálculo do CETV médio mensal em SLZ (• indica<br />
dias com 24 horas de dados e ∆ dias com menos de 24 horas de dados).<br />
2001 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez<br />
1 ∆ • • • ∆ ∆ ∆ •<br />
2 • • • • •<br />
3 • • • • • ∆ ∆<br />
4 • • • • • • • •<br />
5 • • • • • • ∆ ∆ ∆<br />
6 • • • • • • • • • •<br />
7 • • • ∆ • • • • • • •<br />
8 • • • • • • • ∆ • ∆<br />
9 • • • ∆ • • • •<br />
10 ∆ • • • • • • • •<br />
11 • • • • •<br />
12 • • • • • • • ∆ •<br />
13 • • • • • • ∆ • ∆<br />
14 • • • • ∆ • • • • •<br />
15 • • • • • • ∆ • ∆ •<br />
16 • • • • • • • • •<br />
17 ∆ • ∆ ∆ • • • • •<br />
18 • • • • • • • •<br />
19 • • • • • • • • ∆<br />
20 • • • • • • • • • • •<br />
21 • • • • • • • • •<br />
22 • • • • • • • • • • •<br />
23 • • • • • • • •<br />
24 • • • • • • • • • •<br />
25 • • • • • • • • • •<br />
26 • • • • • • • • • •<br />
27 • • • • • • • • • •<br />
28 • • • • • • • • • • •<br />
29 • • • • • • • • •<br />
30 • • • • • • • • •<br />
31 • • • • •<br />
Para cada dia, foi gerada uma curva da variação diária do CETV com valores médios a<br />
cada 30 minutos. A partir destas curvas diárias foram calculadas curvas médias mensais<br />
da variação diária do CETV para cada mês do ano de 2001. Para obtenção das curvas<br />
médias mensais foram utilizados todos os dias de dados disponíveis em cada mês. As<br />
curvas médias mensais possuem valores de CETV a cada 30 minutos. Também foi<br />
130
calculado o valor de desvio padrão para cada ponto da curva mensal média. A tabela 8.1<br />
indica os dias, em cada mês de 2001, cujos dados foram utilizados para o cálculo da<br />
curva média. Nesta tabela também são indicados os dias com 24 horas de dados<br />
(indicados pelo símbolo •) e os dias no quais haviam dados para apenas algumas horas<br />
(indicados pelo símbolo ∆).<br />
A Figura 8.9 mostra a variação média do CETV para cada mês de 2001, juntamente<br />
com barras de erro que correspondem ao desvio padrão do CETV. Na Figura 8.10(a) os<br />
dados de CETV da Figura 8.9 são apresentados em grupos de 3 meses para uma melhor<br />
visualização dos valores. Na Figura 8.10(b) os dados de CETV são mostrados em um<br />
gráfico do tipo hora local versus mês para uma melhor visualização da variação sazonal.<br />
Fig. 8.9 – Médias mensais com desvio padrão do CETV sobre São Luís em 2001.<br />
Observa-se nas Figuras 8.9 e 8.10 que a variação diária do CETV sobre SLZ apresenta<br />
um máximo que ocorre no período entre 12:00 e 18:30 LT e um mínimo que ocorre em<br />
torno das 04:30 e 06:00 LT. Observa-se também que a variação diária do CETV alcança<br />
131
valores máximos nos meses de equinócio (setembro-outubro e março-abril), enquanto<br />
que os valores mais baixos ocorrem nos meses de solstício (junho-julho, janeirodezembro).<br />
(a)<br />
(b)<br />
Fig. 8.10 – (a) Variação do CETV médio em São Luís observado em 2001 por grupo de<br />
meses e (b) gráfico do tipo hora local versus mês com os valores mostrados<br />
em (a).<br />
132
Uma primeira análise dos dados mostra que a variação média do CETV se comporta de<br />
acordo com o esperado, com mínimos da variação diária em torno das 06:00 LT e<br />
máximos em torno das 15:00 LT. Estas curvas de variação diária do CETV podem ser<br />
tomadas como valores típicos do CETV para a região equatorial em períodos de<br />
atividade solar máxima. O fluxo solar (F10.7) médio para o ano de 2001 foi 181.<br />
Com base na Figura 8.9, podemos observar que as magnitudes do desvios padrões dos<br />
valores noturnos de CETV não são muito diferentes dos valores diurnos. Contudo,<br />
convém lembrar que o valor médio noturno do CETV é muito menor do que o valor<br />
médio diurno. Para analisarmos os efeitos da presença de irregularidades ionosféricas na<br />
variabilidade do CETV equatorial, o desvio padrão foi normalizado com relação ao<br />
valor médio do CETV para cada intervalo de 30 minutos. Esta normalização nos dá o<br />
valor do desvio em termos de porcentagem, com relação ao valor médio do CETV. Os<br />
resultados desta normalização são apresentados na Figura 8.11.<br />
A Figura 8.11(a) mostra o desvio padrão do CETV como função da hora local e mês<br />
para o ano de 2001. Este gráfico mostra a variabilidade dia-a-dia do CETV em SLZ.<br />
Observa-se que a maior variabilidade do CETV ocorre nos meses de equinócio,<br />
principalmente no período das 01:00 às 03:00 LT e das 07:00 às 24:00 LT. Em todos os<br />
meses da temporada de ESF (setembro à abril), a variabilidade do CETV também é alta<br />
durante a noite.<br />
No painel inferior da Figura 8.11, é mostrado um gráfico do mesmo desvio padrão do<br />
CETV, expresso em porcentagem com relação ao valor de CETV médio. Este gráfico<br />
mostra que nos equinócios e noites do período de ESF a variação do CETV alcança<br />
valores próximos à 50%. Durante o dia, o desvio padrão se mantém dentro de 20%.<br />
Klobuchar (1985) sugeriu que valores típicos de desvio-padrão do CETV estavam entre<br />
20% e 25% para médias mensais diurnas.<br />
133
Fig. 8.11 – (a) Desvio padrão do CETV em função do mês e hora local. (b) Desvio<br />
padrão é expresso em porcentagem com relação ao valor de CETV médio.<br />
Outro fator que pode influenciar na variabilidade dia-a-dia do CETV é a variabilidade<br />
do fluxo solar. A Figura 8.12 mostra a média mensal do F10.7 e do desvio padrão para<br />
cada mês de 2001 (barras verticais). Maiores valores de desvio padrão do F10.7<br />
ocorreram nos meses de equinócio (março-abril e setembro-outubro) o que também<br />
pode explicar a maior variabilidade do CETV nestes meses. O menor desvio padrão do<br />
F10.7 ocorreu em julho, mês no qual também observou-se a menor variabilidade do<br />
CETV.<br />
Estes resultados têm implicação na construção de modelos ionosféricos precisos pois<br />
mostram a dificuldade de prever-se variação diária do CETV devido à sua variabilidade<br />
dia-a-dia intrínseca juntamente com as variações de CETV causadas por fenômenos<br />
como as bolhas ionosféricas.<br />
134
Fig. 8.12 – F10.7 médio mensal para o ano de 2001.<br />
8.7 Desvio RMS do CETV sobre São Luís<br />
Na seção anterior apresentou-se a variabilidade dia-a-dia do CETV e nesta seção<br />
apresenta-se estimativas de flutuações do CETV, causadas por irregularidades<br />
ionosféricas. Na seção 8.5 comentou-se a possibilidade de identificar-se a ocorrência de<br />
irregularidades ionosféricas através das medidas do desvio RMS do CETV. Com<br />
objetivo de ilustrar o método, foi apresentado um exemplo de medidas realizadas em<br />
SLZ e SJC para o dia 22/09/2001.<br />
Nesta seção, estende-se o método a todos os dados de CETV coletados em SLZ durante<br />
o ano de 2001. Calculou-se o desvio RMS do CETV medido por todos os satélites com<br />
elevação maior que 50 o e os valores de desvio RMS resultantes, calculados a cada<br />
intervalo de 5 minutos, foram então agrupados por meses. A Figura 8.13 mostra o<br />
desvio RMS calculado para cada mês de 2001.<br />
Observa-se que o desvio RMS aumenta claramente no período noturno, iniciando-se no<br />
mês de setembro e terminando no mês de abril, seguindo o mesmo padrão do ESF<br />
observado por vários tipos de instrumentos no Setor Brasileiro. O desvio aumenta em<br />
torno das 18:30 LT e se estende até as 5:00 LT do dia seguinte e ocorre durante<br />
períodos mais longos que a cintilação nos sinais GPS pois as escalas de tamanho das<br />
irregularidades sondadas são maiores.<br />
135
O desvio RMS parece ocorrer mais freqüentemente e com maior magnitude no mês de<br />
dezembro, mas isto pode estar associado à variação da atividade solar durante o ano. O<br />
índice F10.7 médio mensal aumentou de aproximadamente 170 em janeiro para 240 em<br />
dezembro.<br />
Fig. 8.13 – Desvio RMS do CETV em São Luís para o ano de 2001.<br />
8.8 Distribuição latitudinal do CETV<br />
O campo elétrico da ionosfera equatorial é um parâmetro de grande importância na<br />
geração de irregularidades ionosféricas, ao mesmo tempo que controla o<br />
desenvolvimento da Anomalia Equatorial. Aparentemente, a sazonalidade do campo<br />
elétrico dita a sazonalidade da ocorrência de irregularidades e, também do surgimento<br />
da Anomalia Equatorial.<br />
136
Abdu et al. (1983b) e Fejer et al. (1999) apontam a deriva vertical do plasma equatorial<br />
como fator decisivo na geração das irregularidades enquanto que Whalen (1998) mostra<br />
que a velocidade desta mesma deriva vertical também está diretamente relacionada à<br />
manifestação dos picos de densidade da Anomalia Equatorial.<br />
Recentemente, alguns trabalhos, como por exemplo, Mendillo et al. (2000), Valladares<br />
et al. (2001) e Mendillo et al. (2001) têm utilizado dados de CET coletados por<br />
receptores GPS ao longo da costa oeste da América do Sul, para estudar a anomalia<br />
equatorial durante eventos de ESF. Uma análise bem sucedida dos dados pode mostrar a<br />
distribuição latitudinal do CET ao longo do dia e a formação da Anomalia Equatorial<br />
noturna. Neste trabalho, com o objetivo de se obter informações a respeito da<br />
distribuição latitudinal do CET sobre a região Brasileira combinaram-se os dados<br />
coletados pelas estações GPS de SLZ e SJC procurando-se desenvolver perfis<br />
latitudinais da distribuição do CETV.<br />
Para a construção dos perfis foram utilizados dados de satélites com elevação maior que<br />
20 o o que resulta na cobertura latitudinal mostrada na Fig. 8.1, desde aproximadamente<br />
+10 o até aproximadamente –30 o latitude dip. Também foram realizadas médias<br />
aritméticas simples do CETV a cada intervalo de 1 o de latitude dip com valores de<br />
CETV coletados em intervalos de tempo de 1 hora.<br />
A Figura 8.14 mostra vários perfis latitudinais do CETV para vários intervalos horários<br />
do dia 16/08/2001. Estes perfis são médias do CETV calculadas para intervalos de 1 o de<br />
latitude dip dentro do intervalo de 1 hora. Os intervalos horários são indicados em cada<br />
painel. Na noite deste dia não foi observada a ocorrência de cintilações, tanto em SLZ<br />
quanto em SJC. As barras verticais nos dados da Figura 8.14 correspondem ao desvio<br />
padrão de cada média. A curva em preto é uma interpolação polinomial (ordem 6) dos<br />
dados de CETV.<br />
137
Fig. 8.14 – Perfis latitudinais do CETV para o dia 16/08/2001. Dados coletados em SJC<br />
(•), em SLZ (*) e interpolação polinomial (⎯).<br />
As medidas de CET realizadas pelo receptor de SLZ (*) cobrem a faixa de<br />
aproximadamente +10 o a –10 o de latitude dip, enquanto que o receptor de SJC (•) cobre<br />
a faixa de aproximadamente –10 o a –30 o latitude dip. A concordância entre os dados<br />
coletados pelas duas estações foi considerada muito boa, levando-se em conta todas as<br />
incertezas que existem no método de medida do CETV utilizando sinais GPS. Os<br />
valores de CETV medidos em latitudes dip próximas (em torno de –10 o ) são bastante<br />
parecidos. Esta observação serve como indicação da boa calibração dos dois receptores<br />
o que é uma das principais preocupações de estudos de CET realizados com dados GPS.<br />
138
8.8.1 Distribuição latitudinal do CETV durante dias com ocorrência de ESF<br />
A Figura 8.14 mostra uma série de perfis latitudinais do CETV para um dia<br />
(16/08/2001) fora da temporada de ocorrência do ESF. Neste dia, a Anomalia Equatorial<br />
não é tão pronunciada e como esperado, não se observa a ocorrência de flutuações do<br />
CET associadas a bolhas ionosféricas. A Figura 8.15 mostra um outro caso para o dia<br />
04/12/2001, no qual observou-se uma Anomalia Equatorial noturna bem pronunciada e<br />
também o fenômeno do ESF.<br />
No exemplo da Figura 8.15 observa-se: (1) o aumento considerável do CETV em<br />
latitudes em torno de –15 o , principalmente no período das 20-24 LT e (2) o alto desvio<br />
padrão do CETV para os dados nestas latitudes. Este aumento do CETV é manifestação<br />
da Anomalia Equatorial noturna e o alto desvio padrão é associado à ocorrência das<br />
bolhas ionosféricas que fazem com que as medidas do CETV variem bastante de satélite<br />
para satélite. Na Figura 8.15 pode-se observar o movimento do pico da Anomalia<br />
Equatorial que, inicialmente surge em torno de ~ -12 o (17-18 LT) e então se move até<br />
~–18 o (20-21 LT) e logo após retorna até ~-13 o (23-24) LT.<br />
A razão entre o CETV no pico da Anomalia e o CETV no equador é de<br />
aproximadamente 3. Mendillo et al. (2001) reportou uma razão média de 2,8 para uma<br />
campanha de medidas realizadas no Peru durante o período de 18 a 30 de setembro de<br />
1998. No estudo de Mendillo et al. (2001) a rede de receptores GPS utilizada<br />
possibilitava uma cobertura desde –24 o até +22 o de latitude dip o que permitiu a<br />
visualização dos dois picos (norte e sul) da Anomalia. Na época das observações de<br />
Mendillo et al. (2001) e das mostradas neste trabalho, o pico mais pronunciado é o do<br />
hemisfério Norte, devido à ação do vento neutro meridional. Contudo, as observações<br />
realizadas com os dados de SLZ e SJC somente permitem o estudo da Anomalia<br />
Equatorial no hemisfério Sul.<br />
139
Fig. 8.15 – Perfil latitudinal do CETV para o dia 04/12/2001 quando a Anomalia<br />
Equatorial é bem pronunciada.<br />
8.9 Geração de mapas da distribuição latitudinal do CETV<br />
Com objetivo de criarem-se mapas da distribuição latitudinal do CETV versus hora<br />
local foram criadas matrizes de dados (latitude dip vesus hora local) e realizadas<br />
interpolações para que se pudesse preencher lacunas de latitudes nas quais não haviam<br />
dados coletados pelo GPS. O valor de CETV para cada grau de latitude, e a cada hora,<br />
consiste de uma média dos valores de CETV daquele ponto (se disponível) mais os<br />
pontos disponíveis em torno dele (latitudes acima e abaixo e horários anteriores e<br />
posteriores). Esta metodologia permite interpolar regiões onde não haviam dados,<br />
permitindo também uma primeira suavização das curvas de CETV.<br />
140
8.9.1 Procedimentos para a geração dos mapas de CETV<br />
A Figura 8.16 ilustra o método de geração dos perfis latitudinais de CETV ao longo de<br />
um dia, o qual será referido como Método de Interpolação e Extrapolação por Médias<br />
Simples ou MIEMS e que pode ser resumido da seguinte forma:<br />
Inicialmente, calcula-se a latitude e longitude geográfica do ponto sub-ionosférico (em<br />
400km) de todos os dados disponíveis. Logo em seguida, calcula-se a latitude dip de<br />
cada ponto sub-ionosférico. Então, são calculadas as médias de CETV para intervalos<br />
de 1 hora e intervalos de 1 grau de latitude dip. Os valores resultantes deste<br />
procedimento inicial são mostrados no painel (a) da Figura 8.16. Observa-se que em<br />
alguns pontos não apresentam valores de CETV (espaços em branco). Isto significa que<br />
não houve passagem de satélite GPS naquela determinada latitude e naquele intervalo<br />
de tempo.<br />
O procedimento seguinte consiste em calcular o valor de CETV para cada coordenada<br />
da grade ou matriz de dados, que é dado por latitude dip e hora local. Cada valor em<br />
uma determinada coordenada será o resultado do valor médio do CETV naquela<br />
coordenada (se disponível) mais os 8 valores disponíveis em torno daquela coordenada.<br />
Os valores resultantes deste procedimento são mostrados no painel (b) da Figura 8.16.<br />
Observa-se que muitos dos pontos da matriz de dados nos quais não haviam dados,<br />
foram estimados. Uma análise mais detalhada também mostra que os valores do perfil<br />
também foram suavizados.<br />
Por último, é aplicada uma média corrida de 3 pontos dos valores de CETV para cada<br />
latitude dip, ou seja, para cada hora de uma determinada latitude dip, e o valor de CETV<br />
vai ser a média do valor naquele horário mais os valores do horário anterior e do horário<br />
posterior (se disponíveis). O valores resultantes deste procedimento são mostrados no<br />
painel (c) da Figura 8.16.<br />
141
Fig. 8.16 – Passos para obtenção da variação do perfil latitudinal do CETV com a hora<br />
local para o dia 16/08/2001: (a) dados brutos, (b) dados interpolados e (c)<br />
dados suavizados.<br />
Mais recentemente, também aplicou-se a técnica de Spline cúbica (“Cubic Spline”) para<br />
a interpolação dos pontos para os quais não haviam dados de CETV. A interpolação<br />
utilizando Spline (Lindfield e Penny, 1995) é um método numérico bastante conhecido e<br />
uma rotina computacional para a sua aplicação já é disponível em programas comerciais<br />
como o Matlab. O resultado foi muito semelhante ao obtido com a metodologia<br />
explicada anteriormente, contudo, a suavização dos dados é menor. A Figura 8.17<br />
mostra o exemplo do perfil obtido ao utilizar-se Spline cúbica para a interpolação de<br />
pontos, e logo em seguida uma média corrida de 3 pontos para o conjunto de dados de<br />
cada latitude dip. Os dados que geraram o gráfico da Figura 8.17 são os mesmos que<br />
geraram os gráficos da Figura 8.16 (b).<br />
142
Fig. 8.17 – Variação diária do perfil de CETV utilizando Spline.<br />
8.10 Distribuição do CETV para os dias 22 e 23 de Setembro de 2001<br />
Devido ao limitado número de dados simultâneos coletados em SLZ e SJC não foi<br />
possível realizar um estudo estatístico da distribuição do CET sobre a região Brasileira.<br />
Contudo, foi possível selecionar alguns dias de interesse ao estudo do ESF nos quais<br />
haviam dados simultâneos em SJC e SLZ, como por exemplo, os dia 22 e 23 de<br />
setembro de 2001.<br />
A noite do dia 22 para o dia 23/09/2001 foi uma típica noite de ocorrência de ESF. De<br />
acordo com os resultados apresentados no Capítulo 7, setembro é o mês no qual iniciase<br />
a ocorrência freqüente das irregularidades ionosféricas. No dia 22, observaram-se<br />
cintilações nos sinais GPS coletados pelas estações de SLZ e SJC. Também foram<br />
observados fortes espalhamentos nos ionogramas registrados por estas duas estações.<br />
Contudo, na noite seguinte de 23 de setembro, não foram observadas cintilações nos<br />
sinais GPS ou espalhamento nos ionogramas tanto em SLZ quanto em SJC. Este é um<br />
típico exemplo da variabilidade dia-a-dia do ESF e a seguir é realizada uma análise do<br />
comportamento do CET em função da latitude para estes dois dias.<br />
143
8.10.1 Condições de ESF para os dias em estudo<br />
As Figuras 8.18 e 8.19 mostram um mapa que compreende o território brasileiro sobre o<br />
qual são mostradas as trajetórias dos pontos sub-ionosféricos dos sinais GPS para os<br />
dias 22 e 23 de Setembro de 2001. Sobre as trajetórias são mostrados os valores de S 4<br />
em uma escala de tons de cinza e tamanho de círculos que representam o índice S 4 .<br />
Nos mapas das Figuras 8.18 e 8.19 são mostrados apenas os dados de cintilação<br />
coletados pelas estações de SLZ e SJC. Contudo, dados das demais estações Brasileiras<br />
podem ser adicionados de forma que uma maior resolução espacial possa ser obtida. No<br />
Capítulo 6 (Figura 6.11) o mesmo tipo de gráfico é mostrado com dados de várias<br />
estações GPS. Nesta análise, é dado enfoque aos dados coletados em SLZ e SJC de<br />
onde também foram coletados os dados de CET.<br />
Fig. 8.18 – Distribuição do índice S 4 medido pelos monitores de cintilação de SJC e<br />
SLZ sobre o Território Brasileiro no dia 22/09/2001 durante o período das<br />
18:00 as 24:00 horas, horário de Brasília (BST).<br />
144
Fig. 8.19 – Mesmo que a Figura 8.18 para o dia 23/09/2001.<br />
8.10.2 Análise da distribuição latitudinal do CETV<br />
Nas Figuras 8.20 e 8.21 são apresentados os perfis horários da distribuição latitudinal do<br />
CETV para os dias 22 e 23/09/2001, respectivamente, para intervalos horários das 18:00<br />
LT até 01:00 LT. No dia 22, quando ocorreu o ESF, é possível observar que a Anomalia<br />
Equatorial começa a surgir em torno de –10 o de latitude dip às 18:00-19:00 LT. O pico<br />
da Anomalia começa então a se mover em direção a latitudes maiores até que atinge<br />
aproximadamente –18 o de latitude dip no período das 20:00-21:00 LT.<br />
Existe uma discordância entre os valores de CETV medidos pela estação de SJC e SLZ,<br />
principalmente nos horários entre 22:00 e 01:00 LT, para as latitudes próximas à –10 o .<br />
Isto mostra o quanto o CETV é variável durante a ocorrência do ESF e como é difícil o<br />
seu monitoramento durante estes períodos. A diferença de CETV medido por SJC e<br />
SLZ pode ser causada pelo fato de que, apesar das estações estarem medindo a mesma<br />
145
latitude dip, as longitudes podem ser diferentes e durante a ocorrência de bolhas os<br />
gradientes longitudinais de densidade são muito altos.<br />
No dia 23 (Figura 8.21), um aumento de CETV começa a ser produzido em torno das<br />
18-19 LT, contudo, este aumento não evolui e a Anomalia Equatorial se torna bem<br />
menos pronunciada do que no dia 22. Neste dia, no qual não ocorreram bolhas<br />
ionosféricas, a concordância entre os dados de CETV das duas estações GPS é muito<br />
boa durante toda a noite. Cabe lembrar que os pontos sub-ionosféricos sondados neste<br />
dia são praticamente os mesmos sondados no dia anterior. Com a ausência das bolhas,<br />
os gradientes longitudinais, assim como os gradientes latitudinais, não se tornam tão<br />
altos fazendo com que a variabilidade espacial do CETV seja visivelmente menor.<br />
Fig. 8.20 – Distribuição latitudinal do CETV para o dia 22/09/2001.<br />
146
Fig. 8.21 – Distribuição latitudinal do CETV para o dia 23/09/2001.<br />
No dia 22, a razão entre o CETV no equador e o CETV no pico da Anomalia alcançou o<br />
valor de 3, enquanto que no dia 23 esta razão não passou de 1,5. Mendillo et al.(2001)<br />
também observaram que a Anomalia Equatorial não é tão pronunciada durante dias nos<br />
quais não ocorre o ESF. Isto é coerente, já que o agente principal da ocorrência do ESF<br />
e da manifestação da Anomalia é o mesmo: o pico de pré-reversão da deriva vertical do<br />
plasma no equador. Um fraco pico pré-reversão explicaria o fraco Efeito Fonte (e fraca<br />
Anomalia) e não-ocorrência de cintilação e de ESF de um modo geral no dia 23.<br />
Mendillo et al. (2001), também propuseram utilizar a razão entre o valor de CETV<br />
medido no maior pico da Anomalia Equatorial (Sul ou Norte) e o valor de CETV<br />
medido no equador para prever a ocorrência do ESF. Eles observaram que em 85% dos<br />
dias em que ocorreram cintilações, a razão entre o CETV na Anomalia e no equador<br />
excedia 4. Batista et al. (1999) propôs um método semelhante utilizando dados de foF2<br />
coletados em Fortaleza (FZ), próximo ao equador magnético e Cachoeira Paulista (CP),<br />
próximo ao pico da Anomalia Equatorial. Se a razão do foF2 (CP/FZ) excedesse 1,5 no<br />
147
horário próximo ao pôr-do-sol, isto serviria como primeiro indicativo da possível<br />
ocorrência de ESF.<br />
A Figura 8.22 mostra, em um mesmo gráfico, as interpolações polinomiais dos perfis<br />
latitudinais para os dias 22 e 23 para comparação do comportamento do CETV durante<br />
estes dois dias.<br />
Fig. 8.22 – Distribuição latitudinal do CETV durante o dia 22/09/2001 (⎯), com ESF, e<br />
dia 23/09/2001 (---), sem ESF.<br />
Pode-se ter uma estimativa do pico de pré-reversão analisando-se os dados de altura<br />
virtual da base da camada F (h’F) obtidos através de ionogramas. A Figura 8.23(a)<br />
mostra a variação de h’F e também da altura do pico (hmF2) da camada F para os dias<br />
22 e 23. A variação de h’F mostra que a base da camada no equador (em SLZ) se eleva<br />
148
apidamente no dia 22 atingindo aproximadamente 500 km de altitude. Contudo, no dia<br />
23 a camada sequer atinge 300 km de altitude. Esta inibição da deriva vertical da<br />
camada inibe também o surgimento completo da Anomalia Equatorial.<br />
Na Figura 8.23(b) também são mostrados os valores de freqüência critica da camada F2<br />
(foF2) medidas pelas ionossondas de SLZ e Cachoeira Paulista (CP), que situa-se a<br />
~110km de SJC. No dia 23, o foF2 sobre CP não aumenta após o pôr-do-sol como nos<br />
dias anteriores.<br />
Os dados de Kp e Dst mostrados na Figura 8.23(c) e (d) indicam a ocorrência de uma<br />
perturbação magnética no período das 9:00 às 15:00 LT do dia 23/09. Tempestades<br />
magnéticas podem inibir a ocorrência de cintilações ou o ESF de um modo geral (por<br />
exemplo, Aarons, 1991; Kumar e Gwal, 2000). Existes casos, contudo, nos quais<br />
perturbações magnéticas podem fazer com que o ESF se manifeste, mesmo após a meianoite<br />
local e em dias fora do período de sua ocorrência (por exemplo, Aarons e<br />
DasGupta, 1984; DasGupta et al., 1985; Kumar e Gwal, 2000).<br />
Os resultados de Aarons (1991) sugerem que os efeitos das tempestades magnéticas na<br />
inibição ou geração de irregularidades ionosféricas equatoriais dependem das formas<br />
das tempestades quando analisadas com dados de Dst e da hora local. Aarons (1991)<br />
propôs que um distúrbio magnético que ocorra no período da tarde (antes do pôr-do-sol)<br />
tende a inibir o desenvolvimento das irregularidades. Esta hipótese está de acordo com o<br />
resultado obtido para o dia 23, que sugere que o distúrbio magnético observado no<br />
período próximo ao meio-dia inibiu o pico pré-reversão e a ocorrência do ESF.<br />
149
Fig. 8.23 – (a) Variação temporal de h’F e hmF2 em São Luís, (b) variação temporal do<br />
foF2 em São Luís e São José dos Campos, (c) variação temporal do índice<br />
Kp e (d) do índice Dst.<br />
8.10.3 Mapas da distribuição do CETV<br />
As Figuras 8.24 (a) e (b) mostram mapas da distribuição do CETV para os dias 22 e 23,<br />
respectivamente, e para o período das 18:00 às 25:00 (01:00) LT. Os valores de CETV<br />
destes mapas foram obtidos utilizando a técnica descrita na Seção 8.9 (MIEMS). Os<br />
mapas mostram, como discutido anteriormente, que no dia 22 a Anomalia Equatorial foi<br />
muito mais pronunciada do que no dia 23 e que os valores de CETV no equador<br />
mantiveram-se altos até mesmo à meia-noite local.<br />
150
(a)<br />
(b)<br />
Fig. 8.24 – Mapas de distribuição do CETV para os dias (a) 22/09/2001 (com ESF) e (b)<br />
23/09/2001 (sem ESF).<br />
151
CAPÍTULO 9<br />
CONCLUSÕES<br />
Quanto à comparação de dados de cintilação e ESF observado por outras técnicas:<br />
Para a comparação de mapas RTI e dados de cintilação em sinais GPS foram utilizados<br />
apenas dados do satélite GPS de maior elevação a cada minuto. Apesar do feixe do<br />
radar e os pontos sub-ionosféricos dos sinais GPS não se localizarem exatamente no<br />
mesmo ponto ionosférico, obteve-se uma boa concordância entre a ocorrência de<br />
plumas e cintilações nos sinais GPS. Ecos mais intensos do radar estavam associados ao<br />
aumento do índice S 4 que representa a intensidade das cintilações. Aparentemente,<br />
estruturas do tipo “bottom-type” mostradas pelo radar podem não causar cintilação nos<br />
sinais GPS.<br />
A ocorrência das plumas se mostrou muito mais curta do que a ocorrência das<br />
cintilações. Isto reforça a teoria de que irregularidade de menor escala de tamanho<br />
decaem mais rapidamente. Também foram comparados dados de espalhamento em<br />
ionogramas com dados de cintilação. Novamente, o fato de que irregularidades de<br />
menor escala de tamanho decaem mais rapidamente pode explicar a maior duração da<br />
ocorrência do ESF observado em ionogramas se comparado com cintilações. Tanto o<br />
radar quanto a digissonda mostraram-se sensíveis a estruturas na porção inferior da<br />
camada F. Contudo, não se observaram cintilações nos sinais GPS durante a ocorrência<br />
destas estruturas.<br />
Também foram utilizados dados dos satélites GPS de maior elevação para comparar a<br />
ocorrência de cintilações e depleções de luminescência atmosférica observadas por um<br />
fotômetro zenital. A concordância entre as depleções observadas pelo fotômetro e as<br />
cintilações foi muito boa durante o período que antecede a meia-noite local. Após a<br />
153
meia-noite local, as bolhas ionosféricas observadas pelo fotômetro não estavam<br />
claramente associadas à ocorrência de cintilações. Mais uma vez, esta observação pode<br />
ser explicada pelo decaimento mais rápido de irregularidades de menor escala de<br />
tamanho. As irregularidades que causam cintilação estão imersas em bolhas ionosféricas<br />
que são depleções de plasma de larga-escala (várias centenas de quilômetros). Estas<br />
bolhas são geradas à oeste do ponto de observação e movem-se para leste. Quando as<br />
bolhas passaram sobre a região sondada pelo fotômetro, as irregularidades menores já<br />
haviam decaído. Basu et al. (1983) mostraram com dados de cintilação e medidas in situ<br />
de densidade eletrônica que o desvio RMS de densidade é maior durante o período<br />
anterior à meia-noite local.<br />
Quanto ao estudo estatístico da ocorrência de cintilações em SJC:<br />
A comparação entre dados de cintilação e observações do ESF por outros instrumentos<br />
mostra que receptores GPS são ferramentas bastante úteis para o estudo das<br />
irregularidades ionosféricas. Com os dados dos monitores de cintilação foi possível<br />
determinar a variação sazonal de ocorrência das irregularidades que causam cintilação<br />
nos sinais GPS, para dados coletados em SJC. Esta ocorrência segue o padrão de<br />
ocorrência do fenômeno de espalhamento da camada F para longitudes Brasileiras<br />
determinado por outros tipos de equipamentos de sondagem ionosférica.<br />
As cintilações em São José dos Campos ocorrem predominante durante os meses de<br />
setembro à abril e durante o período das 20:00 às 01:00 LT. A intensidade das<br />
cintilações também parece ser maior nos meses de setembro/outubro e fevereiro/março.<br />
Esta maior intensidade das cintilações pode estar associada a uma anomalia de Appleton<br />
mais pronunciada durante esses meses, como mostrado por Souza (1992).<br />
Foi possível observar também que o fluxo solar age de forma a aumentar a porcentagem<br />
de ocorrência das irregularidades. Adicionalmente, a intensidade das cintilações<br />
também tende a aumentar com o aumento da atividade solar. Contudo, observa-se que,<br />
154
para valores muito altos de F10.7 ( > ~175) não observa-se um correspondente aumento<br />
da ocorrência das irregularidades e intensidade das cintilações (com exceção do mês de<br />
março). Explicações sugeridas para esta observação envolvem um efeito de saturação da<br />
densidade eletrônica da camada F ou o deslocamento do pico da Anomalia Equatorial<br />
para latitudes além de São José dos Campos.<br />
Quanto ao estudo do CET:<br />
Utilizando dois receptores dupla – freqüência foi possível determinar o Conteúdo<br />
Eletrônico Total vertical sobre São Luís (SLZ) e São José dos Campos (SJC).<br />
Foram apresentados exemplos de cintilações associadas a flutuações do CET causadas<br />
por bolhas ionosféricas. Determinou-se o CET vertical para ambas as estações sendo<br />
possível identificar a ocorrência do fenômeno da Anomalia de Appleton no período<br />
noturno sobre SJC.<br />
Com os dados de SLZ foi possível determinar a variação diária e sazonal do CETV<br />
sobre o equador magnético. Máximos de CETV foram observados nos meses de<br />
equinócio (setembro-outubro e março-abril). Mínimos do CETV foram observados nos<br />
meses durante o solstício de inverno do hemisfério sul (junho e julho).<br />
Uma maior variabilidade dia-a-dia do CETV foi observada nos meses de equinócio. As<br />
bolhas ionosféricas que ocorrem no período noturno durante os meses de setembro à<br />
abril também parecem influenciar na variabilidade do CETV.<br />
Um método baseado no desvio RMS do CETV foi sugerido para uso na identificação da<br />
ocorrência de irregularidades ionosféricas. O calculo do RMS foi realizado para todos<br />
os dados disponíveis de SLZ e alguns casos exemplos de SJC. Os resultados mostram<br />
que o desvio de CETV é maior em SJC do que em SLZ o que pode estar relacionado à<br />
155
maior intensidade de cintilações observada nesta estação. A ocorrência de maiores<br />
valores de desvio RMS seguem o padrão de ocorrência do ESF o que sugere que este<br />
método pode ser utilizado para uma primeira estimativa da ocorrência de<br />
irregularidades.<br />
Combinando dados de CETV coletados simultaneamente em SLZ e SJC foi possível<br />
calcular perfis latitudinais do CETV. A concordância entre os dados coletados pelas<br />
duas estações foi muito boa. Com os perfis obtidos é possível estudar a dinâmica e<br />
intensidade da Anomalia de Appleton no Hemisfério Sul. Também foram sugeridos<br />
métodos para o desenvolvimento de mapas da distribuição latitudinal do CETV que<br />
podem ser utilizados para estudar o comportamento do CET durante fenômenos do ESF<br />
e também de outros fenômenos geofísicos como tempestades magnéticas, eclipses,<br />
dentre outros. Contudo, mostrou-se que durante os períodos de cintilação, a<br />
determinação de perfis latitudinais do CETV é prejudicada devido provavelmente aos<br />
altos gradientes de densidade do plasma ionosférico causado pelas bolhas ionosféricas.<br />
Um estudo de caso mostrou que um desenvolvimento incompleto da Anomalia indica a<br />
não-ocorrência de ESF. O surgimento da Anomalia de Appleton e a ocorrência de<br />
irregularidades ionosféricas estão associados através do pico de pré-reversão do campo<br />
elétrico da região F equatorial. Resultados mostram que a ausência desse pico que pode<br />
ser, em determinadas situações, indiretamente inferido através da análise da altura da<br />
base da camada (h’F), resulta em uma fraca (ou inexistente) Anomalia Equatorial e na<br />
ausência de ESF. A inibição do pico de pré-reversao pode estar associado à ocorrência<br />
de uma tempestade magnética, por exemplo, como mostrado neste trabalho.<br />
A Anomalia de Appleton noturna mostrada pelos perfis de CETV e que se localiza em<br />
torno de –10 o a –20 o pode ser a responsável pela maior intensidade das cintilações<br />
observada nesta região. Contudo, é possível que existam casos em que as cintilações<br />
mais intensas não ocorram exatamente na região do pico da Anomalia Equatorial. Isto<br />
pode ser explicado pelo fato de que as intensidade das cintilações também dependam de<br />
156
fatores tais como altura e espessura da camada de irregularidades, além da densidade<br />
eletrônica.<br />
Por fim, pode-se dizer que obteve-se um maior conhecimento sobre a ocorrência de<br />
cintilações e distribuição do CETV sobre o Território Brasileiro. Estes resultados vêm a<br />
colaborar na melhor compreensão dos fenômenos físicos que ocorrem na ionosfera<br />
equatorial e de baixas latitudes. Estes resultados também podem ser utilizados em<br />
aplicações práticas como no desenvolvimento de Sistemas de Aumentação para o GPS.<br />
157
CAPÍTULO 10<br />
SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS<br />
Neste Capítulo são listados alguns temas de pesquisa que não foram abordados nesta<br />
dissertação e que podem ser estudados futuramente:<br />
1) Estudo dos efeitos da atividade magnética sobre a inibição / geração de<br />
irregularidades que causam cintilação nos sinais GPS.<br />
2) Estudo estatístico da região de maior intensidade das cintilações e da localização do<br />
pico da Anomalia Equatorial<br />
3) Estudo da velocidade zonal das irregularidades ionosféricas utilizando o método de<br />
receptores GPS espaçados.<br />
4) Estudo estatístico sobre a distribuição latitudinal do CETV sobre o Território<br />
Brasileiro para períodos com e sem o fenômeno do ESF.<br />
5) Análise dos dados de cintilação e CET coletados durante o experimento de pontos<br />
conjugados (COPEX).<br />
6) Comparação da variação diária do CETV sobre São Luís e São José dos Campos<br />
com valores previstos por modelos, como por exemplo, o “International Reference<br />
Ionosphere - IRI” (versão mais recente).<br />
159
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169
APÊNDICE A<br />
DESCRIÇÃO DO ARQUIVO SUMÁRIO<br />
A Tabela A.1 mostra algumas linhas de dados gravados em um arquivo sumário.<br />
Tabela A.1 – EXEMPLO DE DADOS GRAVADOS NO ARQUIVO SUMÁRIO.<br />
SAO JOSE DOS CAMPOS BRAZIL<br />
ABC-1998 CAMPAIGN<br />
4085.0 -4209.2 -2498.5<br />
2000 3 31 21 2<br />
1<br />
2100 8 104<br />
02 11318.3 -15618.5 -17488.8 -1363 2458 0 0.09 90 9999<br />
07 19999.4 -16823.2 4172.9 2271 2263 0 0.06 40 9999<br />
08 19252.3 -3828.9 -18176.3 -885 3612 0 0.05 9999 9999<br />
10 -1533.4 -26399.5 -650.3 -2016 2305 0 0.06 90 9999<br />
13 19510.3 -17005.2 -5668.0 -1537 2540 0 0.08 94 9999<br />
18 23117.5 -61<strong>80</strong>.0 11411.9 -3773 4663 0 0.04 9999 9999<br />
26 -6198.2 -13952.5 -21722.0 3051 2656 0 0.05 51 9999<br />
27 22290.1 -1129.8 -14684.3 -1603 3194 0 0.05 9999 9999<br />
As cinco primeiro linhas fazem parte de um cabeçalho inicial do arquivo com as<br />
seguintes informações:<br />
1 a linha: Estação de Observação<br />
2 a linha: Informação adicional<br />
3 a linha: Coordenadas ECEF do receptor<br />
4 a linha: Ano Mês Dia Hora Minuto<br />
5 a linha: 1 (fim do cabeçalho)<br />
A partir da sexta linha são gravados conjuntos de dados referentes a análise de um<br />
minuto (3000 amostras) do sinal GPS (L1 = 1,57542 GHz), de cada satélite rastreado<br />
naquele minuto. Logo após, segue uma linha de sub-cabeçalho com as informações:<br />
1 a coluna: Hora (HHMM)<br />
2 a coluna: Número de satélites (n) rastreados naquele minuto<br />
3 a coluna: Potência de ruído<br />
E então, segue-se “n” linhas com as seguintes informações sobre os satélites rastreados:<br />
171
1 a coluna: Identificação do satélite (PRN)<br />
2 a coluna: Coordenada ECEF X<br />
3 a coluna: Coordenada ECEF Y<br />
4 a coluna: Coordenada ECEF Z<br />
5 a coluna: Deslocamento Doppler (Hz) do sinal GPS<br />
6 a coluna: Potência em banda larga (WBP)<br />
7 a coluna: Número que indica quantas vezes o “lock” foi perdido naquele minuto<br />
8 a coluna: Índice de cintilação S 4<br />
9 a coluna: Largura de auto-correlação do sinal<br />
10 a coluna: Não utilizado<br />
172
APÊNDICE B<br />
DESCRIÇÃO GERAL DOS PROCEDIMENTOS PARA<br />
OBTENÇÃO DOS ARQUIVOS TEC<br />
Os procedimentos básicos para a obtenção dos arquivos TEC, com valores de CET<br />
ionosférico a partir dos arquivos binários de dados gravados pelos receptores<br />
TurboRogue ICS-4000Z são listados logo a seguir.<br />
1 o Procedimento: Conversão dos arquivos binários (extensão .bin) gravados pelos<br />
receptores TurboRogue ICS-4000Z para arquivos texto (ASCII). Para esta conversão<br />
utiliza-se o programa CONVERT.EXE. Neste programa seleciona o tipo de saída<br />
TURBO ASCII cuja estrutura é descrita no manual de usuário dos receptores<br />
TurboRogue (AOA, 1995). O novo arquivo terá extensão “.dat” e ao nome do arquivo<br />
será adicionado as letras “sl”, se os dados se referem à estação de São Luís e “sj” se os<br />
dados foram coletados na estação de São José dos Campos. Por exemplo, o<br />
CONVERT.EXE deverá criar para o arquivo binário “100101.bin” gravado pela estação<br />
de São Luís, um arquivo texto com o nome “100101sl.dat”.<br />
2 o Procedimento: Organização dos dados em colunas. Após a conversão dos arquivos<br />
binários em arquivos TURBO ASCII é necessário criar um novo arquivo texto no qual<br />
as informações que interessam ao cálculo do CET estarão organizadas em colunas. Isto<br />
facilitará a leitura dos arquivos de dados pelos programas computacionais de redução e<br />
análise. O novo arquivo é criado com o programa TECEXT_P.EXE, com a mesmo<br />
nome mas com extensão “.col”. Por exemplo, o TECEXT_P.EXE deverá criar para o<br />
arquivo “100101sl.dat”, um novo arquivo texto com o nome “100101sl.col”.<br />
Neste novo arquivo estão contidas as seguintes informações:<br />
1 a coluna: Tempo em segundos desde 6 de janeiro de 19<strong>80</strong><br />
173
2 a coluna: PRN do satélite rastreado<br />
3 a coluna: Azimute do satélite rastreado<br />
4 a coluna: Elevação do satélite rastreado<br />
5 a coluna: Razão sinal-ruído (SNR) do código P no sinal L2<br />
6 a coluna: Retardo de código (em períodos do código P)<br />
7 a coluna: Retardo de fase (em ciclos de L1)<br />
A Tabela A.2 mostra algumas linhas de dados formatados em colunas.<br />
Tabela A.2 – exemplo de dados formatados em colunas pelo programa tecext_p.exe.<br />
1.448333 29 164.9 68.8 704.00000 100.947763 -182.583594<br />
1.448611 29 164.9 68.8 702.00000 101.628933 -182.607059<br />
1.448889 29 164.9 68.8 704.00000 100.528581 -182.590566<br />
1.449167 29 164.9 68.8 703.00000 101.209751 -182.615901<br />
1.449444 29 164.9 68.8 704.00000 100.318990 -182.612160<br />
1.449722 29 164.9 68.8 702.00000 101.366944 -182.621342<br />
1.450000 29 164.9 68.8 699.00000 102.467296 -182.633414<br />
3 o Procedimento: Após as informações terem sido formatadas em colunas pelo<br />
TECEXT_P.EXE, os dados então são lidos pela rotina computacional GERA_E10.m<br />
para que sejam realizadas as seguintes tarefas:<br />
3.1 Cálculo dos valores de CET e CET vertical. As informações de atraso instrumental<br />
dos satélites, disponível em ftp.unibe.ch//aiub/BSWUSER/ORB/, também são<br />
adicionadas no cálculo.<br />
3.2 Divisão dos dados em arquivos diários com estruturas de nome do tipo<br />
“ddmmaaST.e10”, onde ‘mm’ corresponde ao mês, ‘dd’ ao dia, ‘aa’ ao ano e ST à<br />
estação onde os dados foram coletados (‘sj’ para São José dos Campos e ‘sl’ para São<br />
Luís). Neste arquivo somente estão presentes dados de satélites com elevação maior que<br />
10 o .<br />
Os valores de saída então são gravados em colunas nos arquivos diários de extensão<br />
“e.10” na seguinte disposição:<br />
1 a coluna: Hora Universal<br />
174
2 a coluna: PRN do satélite rastreado<br />
3 a coluna: Valor de atraso instrumental do satélite<br />
4 a coluna: Azimute do satélite rastreado<br />
5 a coluna: Elevação do satélite rastreado<br />
6 a coluna: Valor de cosχ conforme equação 4.54 utilizado no cálculo do CET<br />
vertical<br />
7 a coluna: Razão sinal-ruído (SNR) do código P no sinal L2<br />
8 a coluna: CET absoluto na linha de visada do sinal, a partir do código<br />
9 a coluna: CET relativo na linha de visada do sinal, a partir da fase<br />
10 a coluna: CET absoluto vertical, a partir do código<br />
11 a coluna: CET relativo vertical, a partir da fase<br />
4 o Procedimento: Leitura dos arquivos E10 pela rotina GERA_TEC.m. Esta rotina<br />
realiza a correção de perdas de ciclo e nivelamento do CET fase. O CET nivelado é<br />
obtido somando-se aos valores de CET relativo, o valor médio de diferença entre o CET<br />
absoluto e o CET relativo. A estrutura do arquivo de saída, com mesmo nome do<br />
arquivo de entrada e saída TEC é a seguinte:<br />
1 a coluna: Hora Local<br />
2 a coluna: PRN do satélite rastreado<br />
3 a coluna: Valor de atraso instrumental do satélite<br />
4 a coluna: Azimute do satélite rastreado<br />
5 a coluna: Elevação do satélite rastreado<br />
6 a coluna: Valor de cosχ conforme equação 4.54 utilizado no cálculo do CET<br />
vertical<br />
7 a coluna: Razão sinal-ruído (SNR) do código P no sinal L2<br />
8 a coluna: CET absoluto na linha de visada do sinal, a partir do código<br />
9 a coluna: CET oblíquo fase (corrigido e nivelado)<br />
10 a coluna: CET absoluto vertical, a partir do código<br />
11 a coluna: CET vertical fase (corrigido e nivelado)<br />
175
PUBLICAÇÕES TÉCNICO-CIENTÍFICAS EDITADAS PELO INPE<br />
Teses e Dissertações (TDI)<br />
Manuais Técnicos (MAN)<br />
Teses e Dissertações apresentadas<br />
nos Cursos de Pós-Graduação do<br />
INPE.<br />
Notas Técnico-Científicas (NTC)<br />
São publicações de caráter técnico<br />
que incluem normas, procedimentos,<br />
instruções e orientações.<br />
Relatórios de Pesquisa (RPQ)<br />
Incluem resultados preliminares de<br />
pesquisa, descrição de equipamentos,<br />
descrição e ou documentação de<br />
programa de computador, descrição de<br />
sistemas e experimentos, apresentação<br />
de testes, dados, atlas, e documentação<br />
de projetos de engenharia.<br />
Propostas e Relatórios de Projetos<br />
(PRP)<br />
Reportam resultados ou progressos de<br />
pesquisas tanto de natureza técnica<br />
quanto científica, cujo nível seja<br />
compatível com o de uma publicação<br />
em periódico nacional ou internacional.<br />
Publicações Didáticas (PUD)<br />
São propostas de projetos técnicocientíficos<br />
e relatórios de acompanhamento<br />
de projetos, atividades e convênios.<br />
Publicações Seriadas<br />
Incluem apostilas, notas de aula e<br />
manuais didáticos.<br />
Programas de Computador (PDC)<br />
São os seriados técnico-científicos:<br />
boletins, periódicos, anuários e anais<br />
de eventos (simpósios e congressos).<br />
Constam destas publicações o<br />
Internacional Standard Serial Number<br />
(ISSN), que é um código único e<br />
definitivo para identificação de títulos<br />
de seriados.<br />
São a seqüência de instruções ou<br />
códigos, expressos em uma linguagem<br />
de programação compilada ou interpretada,<br />
a ser executada por um<br />
computador para alcançar um determinado<br />
objetivo. São aceitos tanto<br />
programas fonte quanto executáveis.<br />
Pré-publicações (PRE)<br />
Todos os artigos publicados em<br />
periódicos, anais e como capítulos de<br />
livros.