REVISTA ELETRÔNICA de EDUCAÇÃO & SAÚDE.

REVISTA ELETRÔNICA de EDUCAÇÃO & SAÚDE (ano XXXV) 2018 ou 5779
Criação e realização do biólogo e professor JOÃO ANGELO MARTIGNONI TEIXEIRA
Orientação e configuração do engenheiro e professor EVERARD LUCAS CARDOSO

27 de mai de 2014

IONOSFERA ou TERMOSFERA

IONOSFERA: de que forma as características dessa camada da atmosfera podem beneficiar ou prejudicar as transmissões de sinais em longa distância, como os de rádio, TV e GPS.

Ionosfera: mocinha e vilã das comunicações
Os sinais de satélite, como os usados para orientação geográfica pelo GPS, podem ser afetados por fenômenos que ocorrem na ionosfera. (imagem: NPD-USGov-Military-Air Force)
Nossa civilização depende vitalmente das comunicações de longa distância. Os sinais de satélite nos trazem notícias e divertimentos pela televisão e orientação geográfica pelo GPS (Sistema de Posicionamento Global, em português). As ondas de rádio, sobretudo as chamadas ondas curtas, são ainda hoje os principais meios de comunicação em grandes distâncias.
Esses dois tipos de sinal podem ser beneficiados e prejudicados pela Ionosfera (camada da atmosfera terrestre que se estende da altitude de aproximadamente 50 km até cerca de 1.000 km). O nome Ionosfera tem origem na existência de Íons nessa região da atmosfera. Mas os principais responsáveis pelos efeitos da Ionosfera nas transmissões eletromagnéticas são os elétrons livres, presentes em quantidades teoricamente iguais às dos Íons nessa camada.
Um fato curioso é que a ideia de que a Ionosfera é uma camada condutora surgiu em 1882, cinco anos antes da descoberta das ondas eletromagnéticas e vinte anos antes da primeira transmissão intercontinental de ondas de rádio. E são essas ondas que nos permitem examinar as principais propriedades da Ionosfera. O conhecimento que se tem sobre essa camada vem justamente da análise dos dados obtidos por meio da sua interação com as radiações eletromagnéticas.
A interação de ondas eletromagnéticas com as regiões da Ionosfera resulta em diferentes fenômenos, que podem favorecer ou prejudicar a transmissão das ondas de rádio
Entre o final do século 19 e os anos 1920, a comunidade científica participou de intenso debate em torno do modelo da Ionosfera. O que se consolidou após as discussões é que a ionosfera é dividida em três regiões: D (de 50 a 95 km de altitude), E (de 95 a 160 km de altitude) e F (de 160 a 1.000 km de altitude), sendo esta última subdividida em F1, F2 e F3.
A interação de ondas eletromagnéticas com essas regiões resulta em diferentes fenômenos, sendo a reflexão e a refração os mais conhecidos. Alguns desses fenômenos favorecem a transmissão das ondas de rádio, outros prejudicam. Mas o que faz essas regiões serem diferentes?
Em primeiro lugar, é preciso ter em conta que os pares íons-elétrons da ionosfera são produzidos pelo efeito fotoelétrico, que ocorre quando determinado tipo de radiação (luz visível, luz ultravioleta, raios X, entre outros) atinge a superfície de certos materiais, provocando a ejeção de elétrons. A quantidade desses pares depende da energia e da intensidade da radiação e das características físico-químicas da camada. Em seguida, os elétrons tomam direções diferentes dos Íons e tornam-se livres.
A atmosfera fica mais rarefeita à medida que cresce a altitude. Portanto, há menos moléculas disponíveis nas grandes altitudes. Por outro lado, o espectro da radiação solar, que se estende dos raios X aos raios ultravioleta e é capaz de produzir efeito fotoelétrico, é seletivamente absorvido ao atravessar a ionosfera. Ou seja, o ultravioleta é preponderantemente absorvido nas maiores altitudes (região F) e os raios X, mais penetrantes, chegam até a região D.
O resultado disso é que a distribuição de elétrons atinge seu máximo justamente na parte intermediária da camada F. Acima, a densidade é menor porque a atmosfera é mais rarefeita, e abaixo, porque há pouca radiação disponível.

Espelho ou lâmina de água?

Diante das ondas eletromagnéticas, essa estrutura funciona ora como um espelho, que reflete a luz, ora como uma lâmina de água, que a refrata. E tanto um quanto o outro fenômeno são produto da interação da radiação eletromagnética com os elétrons livres da Ionosfera.
É essa capacidade de refletir e refratar as ondas eletromagnéticas que possibilita a transmissão intercontinental de ondas curtas. Entre o emissor e o receptor, a onda pode ricochetear nas camadas da ionosfera e na superfície da Terra ao longo de milhares de quilômetros.
Reflexão de ondas na ionosfera
A transmissão de ondas curtas em grandes distâncias é possibilitada pela capacidade da Ionosfera de refletir e refratar as ondas eletromagnéticas, que podem ricochetear nessa camada atmosférica e na superfície da Terra ao longo de milhares de quilômetros até atingir seu receptor. (imagem: Sebastian Janke/ Wikimedia Commons – CC BY-SA 2.5)
Esse é o lado favorável da história. Mas as ondas de rádio também podem encontrar obstáculos à sua transmissão. Um deles resulta da chamada rotação de Faraday, fenômeno em que a direção de vibração de uma onda eletromagnética é alterada quando essa onda interage com um campo magnético.
Os elétrons livres da Ionosfera produzem um campo magnético que possibilita a ocorrência da rotação de Faraday nas ondas de rádio. O resultado é que a intensidade do sinal recebido pode ser reduzida consideravelmente, pois as antenas receptoras estão preparadas para captar as ondas com uma determinada direção de vibração. Felizmente esse efeito é muito pouco eficiente nas ondas de alta frequência, as famosas ondas curtas, que predominam nas comunicações de rádio de longa distância e nos sinais de satélite.
Outro fenômeno que ocorre nessa camada da atmosfera e é capaz de perturbar as comunicações por satélite são as chamadas cintilações ionosféricas, produzidas por irregularidades na distribuição de elétrons na Ionosfera. Geralmente elas abrangem regiões muito pequenas, mas modificam os índices de refração do meio e provocam alterações nos sinais de rádio, causando ruído que tem como contrapartida visual o piscar das estrelas – daí o nome cintilações ionosféricas.
Esse fenômeno varia muito em função da latitude, sendo mais intenso na região equatorial. Ele está relacionado com o processo de recombinação íon-elétron, em que essas partículas voltam a se unir na molécula que as originou. Durante o dia, esse processo é menos frequente do que a produção de pares íon-elétron pela luz solar. Mas, à noite, apenas a recombinação acontece. Como esse processo deixa muitas irregularidades na distribuição de elétrons, as cintilações ionosféricas são mais pronunciadas depois do pôr do sol. O efeito desse fenômeno depende da frequência da onda: é reduzido em sinais de televisão, mas pode afetar bastante os sinais de GPS.
GPS
As cintilações ionosféricas, fenômeno produzido por irregularidades na distribuição de elétrons na ionosfera, podem prejudicar a precisão dos aparelhos de GPS. (foto: José Reynaldo da Fonseca/ Wikimedia Commons – CC BY-SA 3.0)
Os fabricantes de receptores GPS têm tomado providências para minimizar os problemas causados pela Ionosfera. Mas alguns desses obstáculos – como as cintilações ionosféricas – são quase insuperáveis, embora bem identificados.
A alternativa para quem usa esse equipamento é conhecer tais fenômenos e ter consciência de que deficiências na recepção podem decorrer deles e não da operadora do sinal. A partir desse conhecimento, é possível adotar algumas estratégias de uso.
Por exemplo: as cintilações ionosféricas, embora imprevisíveis na sua intensidade e duração, são de certo modo previsíveis quanto aos locais e horários de ocorrência na região equatorial. Portanto, quem necessitar usar GPS para medidas precisas nessa área deve evitar o período entre o pôr do sol e a meia-noite. Além disso, esse fenômeno é sazonal, sendo menos intenso entre abril e agosto na parte das Américas e da África que fica em torno da linha do Equador.
As famosas tempestades solares também têm grande efeito sobre a Ionosfera e, portanto, sobre o funcionamento do GPS
As famosas tempestades solares também têm grande efeito sobre a Ionosfera e, portanto, sobre o funcionamento do GPS. Nesse caso, a coisa é mais séria nas regiões polares, para onde convergem com mais intensidade as partículas carregadas liberadas pelo Sol durante essas tempestades. A interação dessas partículas com a Ionosfera resulta no aumento da quantidade de elétrons livres e, consequentemente, em todos os seus conhecidos efeitos sobre as ondas eletromagnéticas.
Então teremos que conviver com essas limitações? Não, pois já existe tecnologia para a fabricação de receptores GPS mais resistentes às cintilações ionosféricas. Os resultados de inúmeras pesquisas acadêmicas têm sugerido alternativas tecnológicas tanto para o equipamento quanto para programas de tratamento de dados.
Por outro lado, também é possível incorporar a um GPS um sistema capaz de detectar se as cintilações ionosféricas estão afetando o aparelho, de modo a permitir que sejam descartadas outras fontes para erros de precisão. No entanto, não tenho conhecimento sobre a implantação dessas alternativas em aparelhos comerciais.

Fonte: Carlos Alberto dos Santos - Publicado em 07/9/2012
Professor-visitante sênior da Universidade Federal da Integração Latino-americana
Adaptado pelo Prof. João Angelo para suas aulas. 

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