segunda-feira, 7 de junho de 2021

A ionosfera e a reflexão das ondas de rádio

O globo terrestre é circundado por uma espécie de "casca" de ar, cujas características são bastante variáveis com a estação e a altitude; esse "invólucro" recebe o nome de atmosfera.

A atmosfera não tem limites bem definidos, mas se estende, rareando cada vez mais, até uma altitude variável e possivelmente superior a 2000 km. Não é possível, portanto, falar de uma fronteira entre espaço e atmosfera, pois a tais altitudes é impossível distinguir entre o vento solar e as pouquíssimas partículas que pertencem à nossa "casca".

Vamos subdividir a atmosfera em várias faixas, de acordo com a temperatura e com as características peculiares dos diversos gases existentes em cada uma (figura 1).

Figura 1

Troposfera: É a primeira faixa encontrada na subdivisão da atmosfera; possui uma altitude muito variável, em relação ao solo, que depende da hora, das estações e, sobretudo, da latitude. De fato, nas regiões sobre os polos estende-se por cerca de 6 km, aumentando gradativamente, à medida que se aproxima do equador, chegando aos 18 km de altitude, nesse ponto; tal fenômeno é devido à própria rotação da terra em torno de seu eixo.

A troposfera é caracterizada por grandes movimentos de massas de ar e de hidrometeoros. A temperatura em seu interior é muito variável: perto da crosta terrestre, a temperatura é igual à do solo e vai decrescendo com o aumento de altitude, até atingir o seu limite, que é de -50ºC.

Os elementos que constituem a troposfera, nas vizinhanças do solo, se apresentam numa proporção de 78% de nitrogênio, 20% de oxigênio, 0,033% de gás carbônico e traços de outros gases; as porcentagens variam com a altitude, porém não excessivamente, graças aos movimentos das massas de ar.

Separando a troposfera da faixa sucessiva, temos a tropopausa, que se caracteriza por uma temperatura estável, perto dos -50ºC. Essa faixa tem uma espessura muito variável, também, mas que não ultrapassa os 2 km. Uma peculiaridade da tropopausa é a resistência que oferece às correntes de ar; somente aquelas bruscas, de grande velocidade, é que conseguem atravessá-la.

Acima dessa faixa, a temperatura volta a crescer, até 0ºC; entramos, assim, em outra faixa, a estratosfera, que contém três divisões facilmente distinguíveis e caracterizadas por fenômenos físicos e químicos. A primeira, que é a baixa estratosfera, alcança os 25 km de altitude, e sua temperatura cresce gradativamente, parcialmente pela influência da segunda divisão que é a ozonosfera. Esta, como seu nome já diz, é caracterizada pela presença de grandes quantidades de ozônio (O3), que é produzido continuamente, pela ação dos raios ultravioleta sobre os átomos de oxigênio comum. A ozonosfera se estende dos 25 aos 55 km de altitude, com uma temperatura próxima a 0ºC.

Acima da ozonosfera, encontramos a terceira divisão da estratosfera, ou seja, a mesosfera, que cobre a região dos 55 aos 80 km e cuja temperatura, a princípio bastante estável, cai depois até os -170ºC.

Na estratosfera, mudam as porcentagens dos elementos presentes; o gás carbônico não pode ser mais detectado, pois, devido a seu peso, permanece na baixa atmosfera; em seu lugar, encontramos CO3, muito vapor d'água, ainda, além da alta porcentagem de nitrogênio, que permanece inalterada, desde a troposfera.

Entre a estratosfera e a faixa seguinte (a ionosfera), existe uma separação, semelhante à tropopausa: a estratopausa; aqui a temperatura volta a crescer, desta vez definitivamente.

A ionosfera, que se estende dos 80 até os 800 km, divide-se em duas zonas, separadas pela termopausa, que se encontra na altitude dos 500 km: a termosfera e a esosfera. Ambas são constituídas de gases bastante rarefeitos e no estado atômico. E, enquanto na termosfera ainda predomina o nitrogênio molecular, além de hidrogênio, oxigênio, na esosfera persistem apenas os elementos mais leves, hidrogênio e hélio, formando, juntos, 90% dos gases presentes.

A pressão barométrica a tais altitudes é reduzidíssima, inferior a 10-30 milibar. Por fim, como já vimos, a temperatura cresce bastante na ionosfera, alcançando, nas zonas superiores, os 1900ºC.

Até aqui, examinamos a estrutura da atmosfera, em linhas gerais; sabemos, agora, que até os 80 km de altitude têm lugar diversos fenômenos físicos e químicos, cuja importância é vital para a continuação da vida em nosso planeta, tal como a formação do ozônio, que bloqueia os perigosos raios ultravioletas provindos do espaço, ou como os movimentos de ar na troposfera, que impedem a passagem do gás carbônico letal até as vizinhanças do solo. Mas, e o que acontece acima desses 80 km? É o que iremos ver a partir de agora.

Acima da estratopausa, a pressão barométrica apresenta um valor próximo a 10-12 milibar, que vai baixando ainda mais, com o aumento da altitude. Como tal rarefação, seria inimaginável o fato de que pudessem existir zonas, com enorme quantidade de partículas, reunidas em faixas ou "cinturões" em torno da terra.

Mas, na madrugada do dia 16 de dezembro de 1902, quando Marconi estabeleceu a primeira ligação transoceânica, a tese do físico inglês H. Heaviside parecia ser a única plausível. Essa tese admitia a existência a uma certa altitude da atmosfera, de uma certa faixa condutora, não bem identificada, que permitia o "ricochete" das ondas eletromagnéticas, remetendo-as, portanto, de volta à terra. Até aquele dia, havia sido negada qualquer utilização prática da transmissão pelo ar, porque se acreditava que a propagação das ondas de rádio estivesse limitada ao campo visual; assim, Marconi revolucionou toda a física hertziana e todas as outras teses foram destruídas.

Daquele momento em diante, o estudo das ondas de rádio e da sua propagação tornou-se um dos mais interessantes campos de pesquisa; e, ainda hoje, existem muitos pontos obscuros, relativos a diversos fenômenos. Graças à genial intuição de Heaviside, chegou-se logo à compreensão do mecanismo da reflexão ionosférica, assim chamada porque tais faixas de reflexão encontravam-se acima dos 80 km de altitude, na ionosfera.

Procuraremos, primeiramente, compreender a origem da formação dessas faixas: para isso, examinemos o provável percurso empreendido por uma partícula que, chegando do espaço, penetra na atmosfera. Vamos considerar que essa partícula pertença a uma onda eletromagnética de comprimento de onda reduzidíssimo e identificável, portanto, como um fóton.

Desse modo, o fóton penetra nas camadas superiores da atmosfera, a 3000 km da crosta terrestre, aproximadamente. As probabilidades de uma colisão sua com qualquer molécula ou átomo de um gás são bastante reduzidas, pois a rarefação naquela altitude está próxima do vácuo absoluto. Assim, o fóton vai adentrar a esosfera e alcançar, entre os 500 e 700 km, zonas com pressão atmosférica de 10-32 milibar, tendo ainda muitas possibilidades de passar incólume. Porém, quando o fóton se avizinha dos 250 km de altitude, onde reina uma pressão de 10-14 milibar, interceptará facilmente um átomo de gás e, caso a energia do fóton permita, o átomo será dividido em dois íons, de um lado um elétron e do outro, o núcleo, com os elétrons remanescentes. Se esse fenômeno ocorrer a altitudes elevadas, os dois tipos de íon não vão se recombinar com rapidez (pois a pressão é ainda bastante baixa) e irão vagar pela atmosfera, até se recombinarem, depois de um período de tempo mais ou menos longo. Se, por outro lado, esse fenômeno ocorrer em altitudes abaixo de 200 ou 250 km, a pressão fará com que os dois tipos de íon se recombinem quase que imediatamente, para formar novamente o átomo neutro.

Pode-se entender, agora, porque a faixa da atmosfera, entre 80 e os 700km, é chamada ionosfera; de fato, ela é muito rica em íons, tanto positivos, como negativos. Mas, na prática, no que implica a presença de um número tão elevado de íons? Quais são, em outras palavras, os efeitos dessas faixas ionizadas?

Da física, sabemos que um elétron possui uma carga negativa bem definida e que, quando em movimento, é influenciado por qualquer campo que o rodeie, seja elétrico ou magnético. De fato, um elétron livre, sob a ação de um campo magnético, tende a seguir as vibrações do próprio campo. Assim como uma carga elétrica que se move constitui uma corrente, o elétron age como uma pequena antena, que absorve energia das ondas e a re-irradia. Além disso, como todo corpo que vibra, o elétron também possuí uma frequência crítica e, em torno do valor dessa frequência, absorve mais energia do que vai restituir, mais tarde.

Dessa forma, conclui-se que os elétrons dessas faixas ionizadas absorvem a energia das ondas eletromagnéticas e depois a devolvem, remetendo-a de volta à terra. Assim se dá o fenômeno da reflexão das ondas de rádio, que é governada por leis físicas precisas (figura 2).

Figura 2

Utilização das faixas ionizadas

Após haver examinado teoricamente os fenômenos das faixas ionizadas e da reflexão das ondas de rádio em direção à terra, vejamos como é possível, na prática, explorar tais faixas, de modo vantajoso.

Na ionosfera, não existe somente uma zona ionizada, mas quatro, denominadas, respectivamente, D, E, F1 e F2, começando da inferior, a uma altitude de 90 km, aproximadamente. Cada uma dessas zonas possui características bem precisas, que determinam as possibilidades de uso de cada uma delas.

Na figura 3, temos representada a posição que as zonas assumem durante as horas de  luz e durante a noite. Pode-se notar rapidamente que, enquanto a presença ou não da luz solar não tem influência sobre a zona E, por outro lado, para a existência da zona D e, em parte, da F1, a iluminação solar é necessária; ou seja, são indispensáveis aquelas radiações ultravioleta (na maior parte), responsáveis pela cisão dos átomos, formando íons. Especifiquei que a zona F1 sente apenas em parte a falta de radiações porque, na realidade, ela não desaparece e sim, eleva-se, para fundir-se com a zona F2, que, por sua vez, desce; até hoje, não se conseguiu dar uma explicação satisfatória para esse fenômeno.

Figura 3

Uma outra característica dessas zonas ionizadas é o número de elétrons presentes, que é uma função da altitude. De fato, a zona D apresenta 10-3 menos íons por centímetro cúbico que a zona F2; além disso, é preciso lembrar que apenas os elétrons contribuem para reflexão ionosférica das ondas de rádio, já que os íons positivos exibem muita inércia, devido à sua massa maior.

A zona "D" — É a mais baixa, localizando-se a uma altitude compreendida entre 50 e 90 km. Como tais altitudes a rarefação ainda não é tão intensa, logo após o desaparecimento da radiação solar quase todos os íons se recombinam instantaneamente, formando átomos neutros.

Com o propósito de comprovar tal fenômeno, alguns radioamadores americanos conduziram experimentos, durante a eclipse do sol de 7 março de 1970; foi constatado que, 8 minutos exatos após o obscurecimento do sol (72% , aproximadamente), a zona D desapareceu e foi então possível possível efetuar ligações via rádio, mesmo a frequências bastante baixas que normalmente, seriam absorvidas por essa zona. O nível dos sinais recebidos era, durante a eclipse, quase igual ao noturno, provando assim, de modo irrefutável, as características já supostas para a zona D. Tem influência sobre todas as frequências, até 2,5 MHz.

A zona "E" — Situada a uma altitude de 120 km, não desaparece durante a noite, apesar de originar-se da ação das radiações solares; ela apenas atenua sua atividade, nesse período. Devido às suas características, constitui uma espécie de "continuação" da zona D, no que se refere às frequências de rádio nas quais tem influência.

Por meio da zona E, é possível ouvir, durante a noite, muitas estações do exterior, com os rádios normais, que durante o dia permanecem mudas por toda a faixa; tais recepções são possíveis, especialmente durante o inverno.

De fato, a zona E é muito influenciada pelas estações, sofrendo mais ou menos a influência da zona D. É muito importante para as comunicações marítimas e informativas.

A densidade de partículas nesta zona é bastante elevada, alcançando facilmente o número de 109.

A zona "F1" — Encontra-se a 200 km de altitude e é muito importante para todas as comunicações de caráter mundial, juntamente com a zona seguinte. Permite, na realidade, com relativa facilidade, ligações via rádio com nossos antípodas e possui as características mais estáveis, durante o decorrer do dia, pois sofre pouco com a presença ou ausência do sol.

Permite, ainda, o uso de todo o espectro das ondas curtas e é, portanto, o mais utilizado para os serviços que requerem segurança de conexão, e também pelas agências de informações e pelos radioamadores.

Durante a noite, esta zona eleva-se até se fundir com a zona F2, a 250 km de altitude, para depois separar-se dela novamente, às primeiras luzes do amanhecer.

Seu número de íons por metro cúbico chega a 1010.

A zona "F2" — Bastante semelhante à zona F1, da qual se diferencia pela altitude, que durante o dia é de 350 km, e pelas densidades de íons por metro cúbico, que ultrapassa o número de 1010.

Além dessas zonas, mais conhecidas, existe uma outra, denominada "E esporádica", muito pouco conhecida. Situa-se entre os 100 e os 150 km de altitude e não se encontrou, até hoje, uma explicação convincente de sua existência. Não se comporta, de fato, como as zonas normais, aparecendo de improviso e possuindo dimensões muito reduzidas, ao ponto de ser comparada, muitas vezes, com uma nuvem de íons vagando pela ionosfera. Surge principalmente nos meses de junho e julho e em setembro/outubro; no verão, ela se apresenta, preferivelmente, após os temporais e em ocasiões de calor intenso, porém sem regras fixas.

Exibe, por outro lado, características muito particulares, como a de permitir a reflexão de frequências altíssimas, da ordem de centenas de megahertz, permitindo, portanto, ligações de rádio fora do espectro óptico, que limita tais comprimentos de onda. É utilizada pelos radioamadores, principalmente, que conseguem, com frequência, estabelecer contatos de mais de 1000 km. É prejudicial, por outro lado, para as radiocomunicações comerciais, pelo fato de provocar interferências.

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