Claiton Pereira Colvero - DBD PUC-Rio

Condições Atmosféricas e Segurança
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Condições Atmosféricas e Segurança
As condições meteorológicas são de grande importância para os sistemas
FSO porque eles utilizam a atmosfera, sujeita a todas as variações climáticas,
como meio de transmissão óptico. É conhecido que alguns fatores têm sua
contribuição bastante reduzida nas flutuações e degradação dos sinais do enlace,
por outro lado, conforme demonstrado anteriormente, outras condições
meteorológicas podem representar o sucesso ou a indisponibilidade temporária do
enlace, mesmo que se apresentem em separado e isoladas de outras condições
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disponíveis. Por exemplo, esse é o caso da neblina ou dos aerossóis, onde os
tamanhos das partículas envolvidos geralmente são de uma dimensão nada
desejável no enlace, além de conterem densidades, quantidades e duração
totalmente aleatórias. Dentro destas condições meteorológicas que afetam os
sinais do enlace podemos citar, por exemplo, as chuvas, o nevoeiro, a névoa e
neblina, a neve, a umidade relativa do ar, as diferenças de temperatura e pressão,
poluição, entre outros, que podem afetar o enlace tanto por absorção como por
espalhamento da luz.
3.1.
Chuva
A chuva tem um impacto de reduzir a dinâmica dos sistemas FSO, embora
sua contribuição seja significativamente menor do que se apresenta, por exemplo,
em condições de nevoeiro nos comprimentos de onda do infravermelho próximo.
Dependendo de sua intensidade e densidade, pode degradar mais os sinais nos
comprimentos de onda onde a absorção por H2O é alta, como em janelas do
infravermelho distante. Isto se dá porque o raio dos gotas de chuva (25-4000 µm)
são significativamente maiores do que o comprimento de onda das fontes de luz
típicas em FSO. Embora no Brasil, que é um país tropical, os níveis de chuva
sejam um pouco mais acentuados do que na maioria do mundo, os valores típicos
da atenuação por chuva são moderados na natureza. Por exemplo, para chuvas de
Condições Atmosféricas e Segurança
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25 mm/h, uma atenuação do sinal de 6 dB/km pode ser observada.
Conseqüentemente, os sistemas comercialmente disponíveis de FSO que operam
com uma margem do enlace de no mínimo 25 dB (necessário para nevoeiro, por
exemplo) podem penetrar em chuvas muito densas. Este é o caso especial quando
os sistemas são instalados nas áreas metropolitanas onde as distâncias são
tipicamente menores que 1 Km. Assim, quando a taxa da precipitação aumenta
drasticamente, além do nível de temporal (> 120 mm/h), a atenuação da chuva
pode ser preocupante. Entretanto, este tipo de temporal não dura por um período
de tempo longo (da ordem de minutos). Um ponto interessante que deve ser
observado, é que as tecnologias sem fio de rádio freqüência que utilizam
freqüências acima de 10 gigahertz estão seriamente comprometidas pela chuva e
pouco afetadas pelo nevoeiro. Isto se dá pela menor imunidade do comprimento
de onda da rádio freqüência em relação ao raio das gotas de chuva, onde ambos
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são maiores do que as gotas do vapor d’água no nevoeiro [36].
3.2.
Nevoeiro e Poluição
As partículas em suspensão na atmosfera também são capazes de absorver
e/ou dispersar a radiação solar. Seu efeito é notável quando associado a
fenômenos da intensidade de uma queimada em florestas, ou das cinzas expelidas
por uma erupção vulcânica.
O nevoeiro é o fenômeno o mais prejudicial do tempo ao sistema FSO
porque é composta de gotas pequenas de água com raios de dimensões idênticas
aos dos comprimentos de onda do infravermelho próximo e médio. A distribuição
do tamanho da partícula varia para graus diferentes de nevoeiro. As condições do
tempo onde as visibilidades variam entre 0 a 2.000 metros são chamadas
tipicamente como névoa ou nevoeiro. Como as características do nevoeiro são um
tanto difíceis de descrever por meios físicos, as palavras muito utilizadas tais
como denso ou fino são usadas a um grosso modo para caracterizar e generalizar a
aparência do nevoeiro. Quando a visibilidade é de mais de 2.000 metros, esta
condição é normalmente denominada como neblina.
A tabela 1 relaciona a visibilidade com as diferentes condições de nevoeiro.
O espalhamento é o mecanismo dominante da perda de sinal por nevoeiro, mesmo
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as condições mais modestas de nevoeiro podem atenuar muito o sinal e diminuir
drasticamente as distâncias. A atenuação prevista no enlace em dB/km e em sua
correlação com a visibilidade é mostrada na tabela 1. A tabela também ilustra
claramente que a chuva tem muito menos impacto em sistemas FSO do que o
nevoeiro em relação as perdas de potência. Por exemplo, um temporal no meio do
enlace resulta em menos atenuação do que um nevoeiro fino [37].
Tabela 1 – Códigos de visibilidade internacional para as condições do tempo e
precipitação [37].
Condição do
tempo
Nevoeiro Denso
Nevoeiro Grosso
Nevoeiro
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Nevoeiro moderado
Nevoeiro fino
Neblina
Neblina fina
Limpo
Precipitação mm/h Visibilidade
Neve
Neve
Temporal
Neve
Chuva Pesada
Neve
Chuva Média
Neve
Chuva Fina
Neve
Garoa
Muito Limpo
100
25
12,5
2,5
0,25
0 m, 50 m
200 m
500 m
770 m
1 Km
1,9 Km
2 Km
2,8 Km
4 Km
5,9 Km
10 Km
18,1 Km
20 Km
23 Km
50 Km
Perda
dB/km
-271,65
-59,57
-20,99
-12,65
-9,26
-4,22
-3,96
-2,58
-1,62
-0,96
-0,44
-0,24
-0,22
-0,19
-0,06
O nevoeiro ainda não é bem compreendido e é muito difícil caracterizar
fisicamente, desta forma, ainda há bastante discussões sobre suas características e
propriedades de transmissão dos sinais ópticos. Embora a visibilidade seja usada
geralmente para caracterizar circunstâncias nevoeiras, outros métodos tais como
medidas do tamanho e da densidade das partículas foram desenvolvidos para
descrever estas condições de nevoeiro de uma maneira mais quantitativa. Os
sistemas FSO usam principalmente dados de visibilidade porque estas medidas
foram feitas principalmente em aeroportos durante muitas décadas. Estas medidas
permitem que se caracterize regiões diferentes e se desenvolva estatísticas da
disponibilidade para sistemas FSO. Entretanto, a maioria dos dados foi calculada
com a média de pouco tempo, no geral, a definição temporal destes dados não é
muito elevada. Mesmo porque, os ambientes tais como lagoas ou rios podem
induzir circunstâncias nevoeiras.
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O nevoeiro pode ser descrito como uma nuvem de gotas pequenas de água
perto do nível da terra que é suficientemente denso para reduzir a visibilidade
horizontal a menos de 2.000 m. As palavras nevoeiro e névoa também são usadas
para definir as nuvens de partículas de fumaça, as partículas de gelo ou a mistura
destes componentes.
O nevoeiro é formado pela condensação do vapor d’água em suspensão que
está sempre presente no ar, assim ela resulta do processo quando a umidade
relativa do ar excede a saturação por uma fração de 1%. No ar altamente poluído
as partículas podem crescer suficientemente para causar o nevoeiro em umidades
relativas de 95% ou menores. O crescimento das gotas pode ser ajudado pela
absorção de determinados gases solúveis, com atenção especial ao dióxido de
enxofre formando o ácido sulfúrico diluído. Três processos podem aumentar a
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umidade relativa do ar, que podem ser:
-
Refrigerar o ar pela expansão adiabática;
-
Misturar duas correntes de ar úmidas com temperaturas diferentes
-
Refrigerar diretamente o ar por radiação.
O primeiro processo, que é refrigeração por expansão adiabática, é
responsável pela formação das nuvens e faz parte também da formação do
nevoeiro de subida de inclinação (upslope fog) que é formado pela subida forçada
do ar úmido por um dos lados dos montes e montanhas. O segundo processo,
misturando duas correntes de ar úmidas, é manifestado quando o ar que está em
contato com a terra é atingido por aquele que se desloca na superfície da água e
que tem a temperatura diferente para causar o resfriamento da outra massa de ar.
O nevoeiro mais estável ocorre quando a superfície da terra está mais fria do
que o ar acima, isto é, na presença de uma inversão da temperatura. O nevoeiro
também pode ocorrer quando o ar frio se move sobre uma superfície molhada
mais quente e torna-se saturado pela evaporação da umidade da superfície
subjacente. As correntes de convecção, entretanto, tendem a carregar o nevoeiro
para cima quando ele é formado, e parece levantar-se como o vapor ou o fumaça
da superfície molhada.
Normalmente o nevoeiro é classificado dentro de dois grupos, que são o
nevoeiro de advecção (formado pelo ar frio que passa sobre uma superfície ainda
mais fria), típico de regiões litorâneas, e do nevoeiro radiativo (formado pela
refrigeração radiativa da superfície da terra abaixo do ponto de orvalho),
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encontrado em regiões ilhadas. Nevoeiro de advecção contem um número maior
de gotas grandes de água e um índice de água líquida geralmente mais elevado do
que o nevoeiro radiativo [38,39].
Quando o tamanho de uma partícula do nevoeiro, da nuvem, da chuva, da
poeira, etc. é comparável ao comprimento de onda do sinal incidente, a fase da
onda não é uniforme sobre a partícula. Estas diferenças de fase causam
espalhamentos Mie da energia da luz.
O nevoeiro de advecção é formado pela passagem lenta do ar relativamente
morno, úmido e estável sobre uma superfície molhada mais fria. É comum nas
regiões próximas ao mar, onde sempre que as correntes frias e mornas do oceano
estão se misturando podem afetar as costas adjacentes. Também pode ocorrer
sobre a terra, especialmente no inverno, quando o ar morno funde sobre a
superfície gelada da terra. O nevoeiro de advecção ocorre mais facilmente com
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ventos de aproximadamente 5 m/s, suficientemente leve para manter uma
diferença de temperatura entre o ar e a superfície da terra e não forte bastante para
produzir espalhamento por turbulência da atmosfera. O nevoeiro de advecção
típico estende-se até alturas de algumas centenas de metros e ocorre às vezes
também junto com o nevoeiro de radiação. O nevoeiro de radiação se forma em
cima da terra nas noites de céu limpo e calmo, em que a perda de calor por
radiação refrigera a terra e o ar abaixo da temperatura do ponto de orvalho em
altitudes de poucos metros. Uma vez que o nevoeiro denso se formou, o alto do
nevoeiro substitui a terra como a superfície eficaz de refrigeração por radiação, e
o nevoeiro aumenta progressivamente na profundidade por muito tempo enquanto
existir ar suficientemente úmido acima dele. O desenvolvimento de uma inversão
forte da temperatura tende a estabilizar o nevoeiro e a suprimir os movimentos do
ar, mas se for lento, os movimentos da turbulência estarão presentes e são
provavelmente importantes para manter o nevoeiro, pois fazem a substituição do
ar nas camadas mais baixas.
Foi realizado um estudo da influência do terreno e os ventos locais na
formação do nevoeiro que usa uma predição numérica de modelagem do tempo
para simular o desenvolvimento do nevoeiro em Perth, Austrália [40]. Os aspectos
principais de seu modelo de nevoeiro eram a necessidade de parametrizar a
difusão vertical, incorporar a radiação das ondas longas e incorporar efeitos da
radiação das ondas curtas. Os fenômenos do processo de desenvolvimento do
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nevoeiro mostraram que ele era produzido após a passagem de uma frente fria ou
costeira associada quase sempre com um vento leve e uma umidade relativa do ar
elevada. Estas circunstâncias restringem o transporte da umidade através da
turbulência. Em locais de vales, o aparecimento de ventos noturnos pode ter um
impacto considerável na formulação do nevoeiro de radiação. A importância da
circulação local do vento nas simulações levanta perguntas sobre mecanismos da
formação do nevoeiro de radiação em outras áreas que não apresentem este
fenômeno. Sabemos que o de radiação se forma freqüentemente nas regiões mais
baixas e que este está atribuído geralmente à presença da umidade do ar.
O nevoeiro de inversão é formado em conseqüência de uma extensão
descendente de uma camada de nuvens stratus, situada abaixo da base do nível
baixo de inversão de temperatura. São particularmente prevalecentes fora das
costas ocidentais em regiões tropicais durante o verão, quando os ventos se
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fundem para o equador e causam o aparecimento da água mais fria ao longo da
costa. O ar que passa sobre a água fria se torna refrigerado, aumentando a
umidade relativa do ar e se tornando preso sob a inversão. Refrigerado
subseqüentemente a noite pode então causar uma camada de nuvens stratus para
se movimentar para baixo em direção a terra para formar um nevoeiro de
inversão. O nevoeiro frontal se forma perto de uma frente fria quando as gotas de
chuva, caindo do ar acima de uma superfície relativamente morna, evaporam em
um ar mais fresco perto da superfície da terra e fazem com que se torne saturado.
Quando a temperatura de ar cai abaixo de 0º C as gotas do nevoeiro tornamse super-resfriadas. Em temperaturas entre 0º C e – 10º C, somente uma proporção
pequena das gotas congela, e o nevoeiro é composto principalmente ou
inteiramente de água no estado líquido. Em temperaturas mais baixas mais gotas
ou todas congelam com aproximadamente – 35º C e certamente abaixo de – 40º C,
o nevoeiro é composto inteiramente de cristais de gelo. A visibilidade de um
nevoeiro formado de cristais de gelo é consideravelmente pior do que aquela em
um nevoeiro contém a mesma concentração de água condensada.
Embora seja conveniente classificar o nevoeiro de acordo com os processos
físicos que produzem a saturação do ar, é difícil aplicar tal definição. Por
exemplo, múltiplos processos podem agir ao mesmo tempo para produzir um
nevoeiro. A importância relativa de cada processo varia de caso a caso e com o
tempo na hora da formação. Provavelmente dois nevoeiros na mesma região não
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sejam formados exatamente pela mesma combinação dos fatores, este é um fato
que faz com que prever a formação e dispersão do nevoeiro muito difícil.
A tabela 2 mostra uma outra classificação também internacional de
nebulosidades em função apenas das condições de visibilidade, onde esta
classificação é apresentada de forma bastante genérica em relação as condições de
formação, persistência e dissipação dos diferentes tipos de nevoeiros. Como
podemos observar anteriormente, onde estes fenômenos são altamente importantes
para a determinação da densidade em função dos tamanhos das partículas.
Tabela 2 – Classificação internacional de visibilidade para diferentes nebulosidades [41].
VISIBILIDADE
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Menor 40 m
40 – 200 m
200 – 1000 m
1 – 2 Km
2 – 4 Km
4 – 10 Km
10 – 40 Km
Acima 40 Km
DESCRIÇÃO
Nevoeiro Denso
Nevoeiro Grosso
Nevoeiro
Neblina (água)
Névoa (fumaça)
Visibilidade Pobre
Visibilidade Moderada
Visibilidade Boa
Visibilidade excelente
Embora a atmosfera seja opaca acima do espectro do infravermelho até as
ondas milimétricas, existem diversas janelas de baixa atenuação onde podemos
trabalhar com a propagação de sinais. As figuras 28 e 29 mostram as simulações
das janelas de transmissão atmosféricas em função do comprimento de onda para
nevoeiro radiativo e de advecção, respectivamente [41].
O modelo padrão de nevoeiros desenvolvido pela Air Force Office of
Scientific Research (AFOSR), referenciado como nevoeiro 1 (nevoeiro de
advecção, com a visibilidade igual a 0,2 Km) e nevoeiro 2, (nevoeiro radiativo,
com visibilidade igual a 0,5 Km) foram usados para gerar estes gráficos. Cada
espectro é composto de muitas simulações de MODTRAN [42] (um software
desenvolvido por este laboratório para simular as condições atmosféricas de
propagação das ondas eletromagnéticas), para através de diversas médias
melhorar a resolução da resposta obtida. Nestes modelos da simulação, foi
observado que as janelas de transmissão são extremamente sensíveis às pequenas
mudanças na quantidade de água do nevoeiro.
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Figura 28 – Transmissão atmosférica com nevoeiro radiativo de média densidade,
visibilidade de 100 m em um enlace com 50 m.
É importante salientar que estes dados representam composições
atmosféricas típicas simuladas dentro das limitações dos espalhamentos da
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simulação do software, desta forma, a atenuação real nas condições de nevoeiro
encontrado em uma estrada ou região metropolitana pode diferenciar bastante
deste resultado obtido, devido às variações na composição e na distribuição
heterogênea do nevoeiro real.
Figura 29 – Transmissão atmosférica com nevoeiro de advecção de média densidade,
visibilidade de 100 m em um enlace com 50 m.
Este nevoeiro de radiação é conhecido como o nevoeiro comum dos vales,
formado quando a temperatura do ar parado cai abaixo do ponto de orvalho. Tais
efeitos ocorrem freqüentemente quando o calor da terra é perdido por radiação
para ambiente. O nevoeiro radiativo é imprevisível e transiente e desta forma são
um fator significativo em complicado de ser previsto no projeto de sistemas de
transmissões ópticas de dados em espaço livre.
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As características do nevoeiro de advecção são comuns em áreas litorâneas
ou montanhosas. É distinguido do nevoeiro de radiação porque o vento é que
transporta o ar úmido e as gotas subseqüentes causadas pela diferença de
temperatura da mistura com o ar mais frio e de mudanças de altitude. O nevoeiro
de advecção também é considerado transiente, porém seu aparecimento é mais
previsível e os efeitos na propagação da luz no infravermelho distante são
maiores.
3.3.
Nuvens
As nuvens constituem uma das primeiras manifestações visíveis de
possíveis alterações das condições meteorológicas, apresentando-se em formas
que prenunciam desde a ausência de chuvas nas próximas horas ou até estados
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mais severos, como tempestades e elementos associados (granizo, raios, ventos
fortes). As nuvens são suspensões de gotículas ou de cristais de gelo. Como tais,
podem ser consideradas como um aerossol concentrado no espaço. Suas partículas
têm alto poder de reflexão, e no infravermelho próximo são bons absorvedores de
radiação, principalmente a solar. Durante muito tempo, as nuvens foram
consideradas estados muito mutáveis para serem classificadas, mas no início do
século XIX foram colocadas em bases sistemáticas, mais condizentes com os
métodos científicos que se estabeleciam. Os pioneiros nesse trabalho foram o
farmacêutico inglês Luke Howard e o cientista francês Jean-Baptiste Lamarck,
argumentando que mesmo sendo as nuvens estados consideravelmente mutáveis,
eram governadas pelos mesmos mecanismos distintos que respondem pelas
demais manifestações atmosféricas e seria então de grande valia para os
meteorologistas a instituição de uma classificação sistemática das nuvens.
Lamarck elaborou um sistema de classificação baseado em aspectos gerais, mas
não ganhou uma aceitação tão generalizada quanto a nomenclatura de Howard,
em que termos latinos são aplicados a cada um dos gêneros. A nomenclatura hoje
aplicada às nuvens oficializou-se em uma conferência internacional de 1891, com
base no sistema de Howard. No atual sistema de classificação, as nuvens são
divididas em dez gêneros, cada um dos quais se subdividem em espécies que se
diferenciam entre si. Os gêneros são agrupados em três estágios, correspondentes
às nuvens altas, nuvens médias e nuvens baixas, e em um grupo de nuvens de
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desenvolvimento vertical, cuja grande extensão cobre alturas ocupadas por mais
de um estágio [43,44]. As nuvens são hoje classificadas conforme a tabela 3. As
nuvens variam continuamente de forma e tamanho, e são as grandes moduladoras
da energia solar que chega ao sistema e também do sinal transmitido pela fonte
óptica quando se desloca no meio do enlace. Considerando sua distribuição sobre
o globo terrestre, elas provocam reflexão de 25 % a 30 % (em média) da radiação
solar que chega a superfície.
Tabela 3 – Classificação dos tipos básicos de nuvens.
Família / altura Símbolo
Tipos Básicos de Nuvens
Tipo de Nuvem
Características
Cirrus (Ci)
Nuvens Altas
Cirrocumulus (Cc)
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(acima 6000 m)
Cirrostratus (Cs)
Altocumulus (Ac)
Nuvens Médias
(2000 – 6000 m)
Altostratus (As)
Stratocumulus (Sc)
Nuvens Baixas
(abaixo 2000 m)
Nuvens com
desenvolvimento
vertical
Nuvens finas, delicadas e fibrosas,
formadas de cristais de gelo.
Nuvens finas e brancas de cristais de
gelo, na forma de ondas ou massas
globulares em linhas. É a menos
comum das nuvens altas.
Camada fina de nuvens brancas de
cristais de gelo que podem dar ao céu
um aspecto leitoso. Às vezes produz
halos em torno do sol ou da Lua
Nuvens brancas a cinzas constituídas
de glóbulos separados ou ondas.
Camada uniforme branca ou cinza,
que pode produzir precipitação muito
leve.
Nuvens cinzas em rolos ou formas
globulares, que formam uma camada.
Camada baixa, uniforme, cinza,
parecida com nevoeiro, mas não
baseada
sobre
o
solo.
Pode produzir chuvisco.
Camada amorfa de nuvens cinza
Nimbostratus (Ns) escuro. Uma das mais associadas à
precipitação.
Nuvens densas, com contornos
salientes,
ondulados
e
bases
freqüentemente planas, com extensão
Cumulus (Cu)
vertical pequena ou moderada. Podem
ocorrer isoladamente ou dispostas
próximas umas das outras.
Nuvens
altas,
algumas
vezes
espalhadas no topo de modo a formar
Cumulonimbus (Cb) uma "bigorna". Associadas com
chuvas fortes, raios, granizo e
tornados.
Stratus (St)
Nimbostratus e Cumulonimbus são as nuvens responsáveis pela maior parte da precipitação.
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78
Nuvens Cirrus: nuvens de aspecto essencialmente filamentoso, conferindoas um aspecto de plumas ou cabelos esvoaçantes. Apresentam uma transparência
característica, o que faz com que não se obscureçam ou obscureçam pouco quando
vistas contra a luminosidade solar. A análise de seus movimentos revela a direção
e a velocidade dos ventos em grandes alturas. As principais espécies são Cirrus
fibratus, caracterizada por filamentos dispostos paralelamente ou de maneira
irregular (Cirrus fibratus intortus), Cirrus uncinus, onde os elementos se curvam
em forma de vírgula em uma das extremidades, Cirrus spissatus, de consistência
mais compacta e espessa e, portanto, freqüentemente sombreada, e Cirrus floccus,
formada por pequenos elementos que se organizam regularmente, às vezes
deixando cavidades de céu claro bem definidas (Cirrus floccus lacunosus).
Nuvens Cirrus freqüentemente prenunciam a aproximação de trovoadas,
particularmente quando se estendem em Cirrostratus que por sua vez se adensam
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em Altostratus, ou são resultantes da dissipação de nuvens Cumulonimbus que
podem
ter
evoluído
há
horas,
nesse
caso
denominando-se
Cirrus
cumulonimbogenitus. Uma curiosa formação é aquela em que os elementos se
dispõem em forma sugestiva de espinha de peixe (Cirrus fibratus vertebratus),
geralmente constituindo trilhas de condensação em estado avançado de
degeneração [43,44].
Nuvens Cirrocumulus: gênero que se apresenta na maioria das vezes na
forma de camadas relativamente pouco extensas, constituídas de elementos
cumuliformes transparentes e de pouca largura, como referente à espécie
Cirrocumulus stratiformis; caso os elementos encontrem-se mais apartados,
denomina-se Cirrocumulus floccus. Um padrão particularmente interessante
compreende um ou mais sistemas de ondulações orientadas de modo mais ou
menos regular ao longo da camada, parecidas com escamas de peixe. A espécie
Cirrocumulus castellanus é caracterizada por um desenvolvimento vertical maior
de suas partes. Ao aparecimento de nuvens Cirrocumulus segue-se com
freqüência a formação de Altocumulus (nebulosidade de nível médio), com
elementos maiores, geralmente sombreados e formando camadas mais extensas,
identificando movimentos verticais de ar nas camadas médias e altas da
Troposfera [43,44].
Nuvens Cirrostratus: nebulosidade de nível alto caracterizada por camadas
uniformes e transparentes bastante extensas, dispondo-se em dois aspectos
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principais: a espécie Cirrostratus fibratus aparece em camadas onde se pode
visualizar fibras típicas de nuvens superiores, enquanto que Cirrostratus
nebulosus apresenta-se como regiões surpreendentemente uniforme, conferindo ao
céu um tom esbranquiçado. As camadas periféricas de Cirrostratus fibratus
encerram elementos mais individualizados, evidenciando a necessidade de um
critério para distinção entre Cirrus fibratus e a espécie em questão. Cirrostratus
causam às vezes o fenômeno óptico de halo solar (e outros mais raros e
espetaculares, como o Arco Circumzenital e o Círculo Paraélico) principalmente
quando sob a forma de uma camada branca difusa (Cirrostratus nebulosus).
Indicam freqüentemente mudanças drásticas no tempo, que se mostram como a
nebulosidade, como o surgimento de nuvens Altostratus, mais densas, e a
aproximação de trovoadas [43,44].
Nuvens Altocumulus: gênero que apresenta uma grande variedade de
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formas, constituintes de quatro espécies classificadas e estados transitórios e/ou
híbridos.
A
espécie
Altocumulus
stratiformis
compreende
camadas
freqüentemente extensas, compostas por elementos cumuliformes quase
perfeitamente individualizados ou interligados por porções menos densas, com
coloração não uniforme variando do branco-amarelado ao cinza-sombrio. Aplicase a nomenclatura Altocumulus stratiformis undulatus quando os elementos
exibem uma disposição direcional evidente. A variedade perlucidus é bastante
comum, observada no caso das partes arranjarem-se com presença de lacunas,
pelas quais pode-se ver o Sol ou a Lua. Em alguns casos, a camada de
nebulosidade não é suficientemente espessa para lançar sombras sobre a
superfície, trata-se da variedade translucidus; o caso oposto, de uma camada
contínua e opaca, identifica-se por Altocumulus stratiformis opacus, casualmente
complementada por protuberâncias pendentes (Altocumulus stratiformis opacus
mamma) [43,44].
A espécie Altocumulus floccus caracteriza-se por elementos mais apartados,
de consistência semelhante aos elementos de Altocumulus stratiformis, ou
particularmente mais difusos, às vezes apresentando precipitações que não
atingem o solo (Altocumulus floccus virga). Condições específicas de clima e
tempo, geralmente associadas a movimentos convectivos vigorosos nos níveis
médios, favorecem a formação de estruturas em bases, dotadas de partes
verticalmente mais desenvolvidas, mais evidentes quando vistas próximas ao
Condições Atmosféricas e Segurança
80
horizonte, componentes de Altocumulus castellanus, muitas vezes ocorrendo em
seguida tempestades severas. Em raras ocasiões, nuvens Altocumulus castellanus
constituem a própria gênese de Cumulonimbus que exibem, então, bases situadas a
uma altura superior à comumente vista. Uma última espécie, Altocumulus
lenticularis, representa a mais intrigante das formas de Altocumulus. Constituem
formações semi-estacionárias situadas nos topos de ondulações de correntes de ar
que se desestabilizam por atrito sobre acidentes topográficos, geralmente
representados por montanhas altas. Há registros de relatos de "objetos voadores
não-identificados" provavelmente decorrentes dessas nuvens lenticulares, que de
fato mostram contornos surpreendentemente nítidos, sobretudo em sua parte
superior [43,44].
Nuvens Altostratus: nuvens em disposições laminares constituídas por uma
estrutura fibrosa comumente regular e compacta. Apresentam coloração
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acinzentada ou azulada, dependendo da hora do dia ou da distância do horizonte
em que são visualizadas, que permitem ocasionalmente a passagem parcial e
difusa da luz solar, como através de vidro fosco, de modo que o astro é visto sem
nitidez. As camadas de Altostratus terminam quase sempre gradualmente, são
bordejadas por formações cirrosas mais rarefeitas e esparsas do que no seio da
camada, que lembram Cirrus spissatus. Prenunciam ou são resultantes de células
de tempestade, no primeiro caso são regularmente antecedidas por nuvens
Cirrostratus, que se distinguem daquelas por serem mais finas e pelo fenômeno
óptico de halo solar, e se espessam gradualmente até que trovoadas antes
escondidas atrás do horizonte se tornam visíveis, representadas por nuvens
Cumulonimbus dificilmente distinguíveis. Quando evoluem do colapso das partes
médias e altas de nuvens cumuliformes, exibem com freqüência protuberâncias
pendentes (Altostratus mamma cumulonimbogenitus), resultantes de correntes
descendentes de ar. Formações de Altocumulus podem estar presentes abaixo de
uma camada de Altostratus. A precipitação mais ou menos contínua de chuva ou
neve geralmente está associada a Altostratus ou Nimbostratus, estas últimas mais
espessas e menos contínuas, mas ambas bloqueiam totalmente o Sol (Altostratus
opacus) [43,44].
A figura 30 apresenta os tipos básicos de classificação visual das nuvens em
função de sua altitude média, a família e o gênero que pertencem.
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81
Figura 30 – Classificação dos tipos básicos de nuvens na atmosfera.
3.4.
Neve
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Ao nível de Brasil, a neve é muito ocasional em algumas regiões e costuma
cair em intervalos de tempo muito pequenos. Os flocos de neve são cristais de
gelo que vêm em uma variedade de formas e de tamanhos. No geral, entretanto, a
neve tende a causar mais atenuação que a chuva, devido as grandes dimensões das
partículas em suspensão. As condições de whiteout, que é o fenômeno óptico nas
regiões polares, onde os contornos ópticos são apagados e oblitera a orientação,
podem atenuar muito o feixe no infravermelho, desta forma estes espalhamentos
podem ser um grande problema para sistemas de FSO porque o tamanho dos
flocos de neve é grande quando comparado ao comprimento de onda que se opera
o sistema [32]. O impacto da neve na luz às condições de nevasca e do whiteout
cai aproximadamente entre a chuva fina a nevoeiro moderado, com potenciais de
atenuação do enlace de aproximadamente 3 a 30 dB/km.
3.5.
Modelamento Atmosférico
Modelar a atmosfera com todos os seus parâmetros é muito complicado,
devido aos muitos fatores envolvidos, desde sua própria composição até sua não
homogeneidade espacial, justificando, por exemplo, que diversos autores fazem
suas simulações utilizando ferramentas computacionais idênticas, mas obtêm
resultados finais muito diferentes. Podemos observar mais comumente duas linhas
distintas hoje aceitas em simulações das condições de propagação atmosférica,
Condições Atmosféricas e Segurança
82
que são o tratamento padrão e a utilização dos códigos MODTRAN [42]. O
tratamento padrão nos dá uma idéia inicial do comportamento da atenuação da luz
na atmosfera. Porém, as expressões analíticas para os espalhamentos Rayleigh e
Mie são pouco flexíveis e não são adequadas para descrever satisfatoriamente a
variabilidade apresentada pela atmosfera [45], onde a atenuação entre dois pontos
( x1, h1 ) e ( x2, h2 ) é dada por:
⎡ x − x2 ⎛ 400nm ⎞ 4 ⎤
TRayl = exp ⎢− 1
⎜
⎟ ⎥
x R ⎝ λ ⎠ ⎥⎦
⎢⎣
⎡
⎛ h
hM
TMie = exp ⎢−
. exp⎜⎜ − 1
⎝ hM
⎣⎢ l M . cosθ
⎞
⎛ h
⎟⎟ − exp⎜⎜ − 2
⎠
⎝ hM
(30)
⎞⎤
⎟⎟ ⎥
⎠ ⎦⎥
(31)
Onde as constantes xR e lM são os livres caminhos médios do espalhamento
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Rayleigh e Mie e hM é a altura de escala dos aerosóis. A falta de flexibilidade do
tratamento padrão se deve, em parte, por considerarmos xR, lM e hM como
constantes, não levando em conta possíveis dependências com fatores como
altitude, latitude e concentração das moléculas na atmosfera, por exemplo. Porém,
mesmo considerando xR, lM e hM como funções desses fatores, ainda estaríamos
deixando de lado as absorções, como aquelas devido ao ozônio.
Já o tratamento segundo o código MODTRAN, que foi desenvolvido pelo
governo norte-americano com finalidades civis e militares e é um programa
largamente aceito pela comunidade de física da atmosfera, apresenta uma larga
flexibilidade na definição da atmosfera a ser simulada, permitindo uma
caracterização mais realista do perfil de aerosóis e da concentração dos diversos
gases na atmosfera. Para gerar os coeficientes de atenuação utilizando o
MODTRAN é necessário definir sua atmosfera, ou seja, determinar os parâmetros
de entrada do programa que caracterizam melhor a atmosfera estudada. O
programa apresenta diferentes possibilidades na configuração da atmosfera como:
- Diferentes modelos de atmosfera, dependendo da latitude e estação do ano;
- Possibilidade de entrar com dados experimentais e definir uma atmosfera
particular, modificando os perfis, em altitude, da temperatura, pressão, vapor de
água, O3, CH4, N2O, CO2, entre outros;
- Possibilidade de definir os perfis de novas moléculas pesadas cujas seções
de choque venham a ser medidas, como CFC's, ClONO2, HNO+, CCl+ ou N2O5;
Condições Atmosféricas e Segurança
83
- Determinação dos coeficientes de transmissão utilizando espalhamento
múltiplo ou simples;
- Boa caracterização do perfil de aerosóis, dependendo de fatores como a
altitude, estação do ano, tipo de terreno e umidade relativa;
- Divisão e caracterização independente do perfil de aerosóis em três faixas:
superficial (0 - 2 Km), troposfera (2 - 10 Km) e estratosfera (acima de 10 Km);
- Diversos perfis de nuvens e chuvas;
- Possibilidade de mudar a distância meteorológica padrão para uma dada
atmosfera;
- Incluir no cálculo a velocidade média diária dos ventos.
Por todos esses motivos, este código MODTRAN é amplamente utilizado
pela maioria dos autores em suas simulações, mas a grande quantidade de
parâmetros livres que necessitam ser implementados nas simulações acaba por
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originar resultados diferentes dependendo das condições locais aproximadas.
3.5.1.
MODTRAN
Espalhamentos múltiplos da radiação por nuvens e os aerossóis mais densos
representam um componente significativo para a transmissão de sinais no espectro
do visível e infravermelho. No MODTRAN menos recente, a simulação do
espalhamento múltiplo não poderia variar com o azimute da linha de visada
(LOS), embora um único componente do espalhamento da radiação fizesse análise
da variação azimutal razoável, porém na nova versão agora foi incorporada a
dependência do espalhamento múltiplo (MS) com a variação do azimute da LOS.
Esta implementação foi realizada promovendo a união entre o MODTRAN e o
DISORT [46], que é usado como uma sub-rotina do espalhamento múltiplo no
MODTRAN. Além disso, esta versão melhorada do MODTRAN pode utilizar
funções parametrizadas BRDFs (funções de distribuição bidirecionais da
reflectância) para superfícies [47].
As medidas dos espectrômetros fornecem a informação sobre a atmosfera e
a superfície da terra, bem como os dados para validar os códigos atmosféricos de
radiação como o MODTRAN (Moderate resolution atmospheric transmittance
and radiance code). Estes códigos foram desenvolvidos conjuntamente pela
Condições Atmosféricas e Segurança
84
Spectral Sciences, Inc. e a Air Force Research Laboratory/Space Vehicles
Directorate (AFRL/VS), para serem utilizados na análise dos dados de
sensoriamento remoto e outras propagações de sinais ópticos na atmosfera devido
a sua potencialidade de modelar eficientemente a emissão molecular, os
espalhamentos da radiação por aerosóis e nuvens e a atenuação atmosférica. O
MODTRAN usa uma atmosfera esférica simétrica, consistindo de camadas
homogêneas, cada uma das camadas é caracterizada pela especificação do limite
da temperatura, da pressão e das concentrações das partículas da atmosfera,
utilizando a lei de Snell para a refração de uma linha de visada (LOS).
Fazendo uma suposição razoável dos espalhamentos como aleatoriamente
orientados, o único ângulo que afeta o espalhamento é o próprio ângulo do
espalhamento. O primeiro evento de espalhamento é entre um fóton solar e a
atmosfera, e este ângulo formado é aquele entre a LOS e a fonte externa. Este
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ângulo varia com o azimute relativo da LOS e da fonte externa.
A componente dos espalhamentos simples (SS) tem uma correlação mais
forte e direta com este ângulo. A componente do MS, sendo resultado dos fótons
espalhados diversas vezes, é menos dependente do azimute relativo. Não obstante,
esta dependência é altamente importante, particularmente para os aerossóis onde o
espalhamento é mais para o sentido da propagação [48].
3.5.2.
Simulações de Nevoeiros e Neblina
Conforme foi comentado anteriormente, diferentes autores têm simulado
enlaces FSO em diferentes comprimentos de onda e diferentes condições de
nevoeiro e neblina e os resultados contrastantes obtidos em cada simulação com o
mesmo software MODTRAN tem gerado uma grande discussão sobre as
vantagens e desvantagens em se operar um sistema no comprimento de onda na
janela de 10 mícrons. Como também foi visto, as características bastante flexíveis
deste código de simulação amplamente utilizado nas simulações podem levar o
programador a cometer erros, subestimar determinados fatores decisivos na
propagação dos sinais, ou então até por interesses comerciais ou particulares
manipular resultados nestes comprimentos de onda do infravermelho distante,
alterando seu comportamento espacial, e assim mascarando os resultados reais.
Condições Atmosféricas e Segurança
85
A seguir, para introduzir a discussão das vantagens e desvantagens dos
sistemas FSO no infravermelho distante demonstramos as duas linhas de pesquisa
obtidas através de simulações em publicações de diferentes autores. Os gráficos
apresentados não são de nossa autoria e estão no formato original da publicação
com suas respectivas referências e conclusões de seus autores.
No primeiro caso, o autor compara a performance de diferentes
comprimentos de onda sob condições de nevoeiro denso, mais especificamente, o
nevoeiro típico primaveril da costa oeste dos Estados Unidos (West Coast Fog),
classificado como nevoeiro de advecção, por sua composição e densidade
conhecida. Para a simulação foram utilizados os cálculos do MODTRAN, onde
salienta que a atenuação atmosférica típica é de aproximadamente 110 a 120
dB/Km e constante para os comprimentos de onda de 780 e 1550 nm. Nos
comprimentos de onda maiores que 12 mícrons a taxa de atenuação por nevoeiro é
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relativamente constante apenas com picos de absorção. Desta forma, não existem
vantagens aparentes na utilização dos “mágicos” comprimentos de onda do
infravermelho distante [49], conforme observado na figura 31.
Figura 31 – Exemplo de cálculo do MODTRAN para a atenuação total da atmosfera para
diferentes comprimentos de onda em condições de nevoeiro de advecção [49].
Condições Atmosféricas e Segurança
86
Em uma simulação de diferentes modelos de distribuição de nevoeiros,
mostra-se que em geral, existe uma ressonância principalmente quando ocorre a
transmissão dos sinais ópticos no comprimento de onda equivalente ao raio da
maioria das partículas em suspensão. Desta forma, como foi mencionado
anteriormente, o infravermelho distante não tem vantagens em relação aos
comprimentos de onda dos enlaces comerciais, como pode ser observado na figura
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32 [50].
Figura 32 – Atenuação por espalhamento Mie em dB/km para várias distribuições de
nevoeiro [50].
O espalhamento da radiação pela seção transversal de uma partícula esférica
de raio r e índice de refração n fica em uma de três regiões demonstradas na figura
33, dependendo do comprimento de onda relativo ao raio. Na região geométrica
onde o comprimento de onda é muito menor do que o raio da partícula, o
espalhamento da seção transversal é aproximadamente 2.π.r2, sendo uniforme
para as partículas de mesmo índice de refração muito perto daquele do meio de
propagação. Para os comprimentos de onda muito maiores do que este raio, o
espalhamento fica na região de Rayleigh e diminui rapidamente com os
comprimentos de onda mais longos. E na região onde o comprimento de onda e o
raio são similares, há uma região de ressonância onde a correlação do
comprimento de onda e do espalhamento é mais complicada [51].
Condições Atmosféricas e Segurança
87
Figura 33 – Exemplo do espalhamento da seção transversal em função do comprimento
de onda para partículas de raio médio de 5 mícrons [51].
No segundo caso, assim como foram apresentadas anteriormente, as
simulações e conclusões foram elaboradas pelos autores e são demonstradas na
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forma original, simulando também esse comportamento da transmissão
atmosférica em função do comprimento de onda utilizando MODTRAN e também
um software proprietário que utiliza os mesmos códigos de programação, porém
com resultados opostos ao primeiro caso.
Para estas simulações, o aerossol inclui partículas resultantes da
condensação do vapor de água, com suas propriedades físicas e químicas
específicas. As partículas com diâmetro médio até 1 mícrons, são responsáveis
pelos espalhamentos dos raios visíveis e do infravermelho próximo. Este é um
fenômeno que pertence ao modelo bimodal da distribuição da gota da água.
Enquanto a umidade relativa aumenta, as partículas do aerossol vêm gradualmente
se tornando gotas de nuvens, de nevoeiro ou de gelo. Na figura 34 podemos
observar a distribuição típica das concentrações de partículas de nevoeiros de
regiões marítimas e continentais [52].
Figura 34 – Exemplo de concentração típica de partículas sob nevoeiro em regiões
marítimas e continentais [52].
Condições Atmosféricas e Segurança
88
Utilizando estas distribuições típicas para os dois nevoeiros, podemos
verificar na figura 35 os resultados das atenuações por espalhamentos em função
da correlação do tamanho médio das partículas e o comprimento de onda do sinal
(r2*Qscatt(x)) versus o diâmetro médio das partículas, para os comprimentos de
onda de 550, 1500, 3000, 5000 e 10000 nm. É evidente que para partículas de
nevoeiro menores do que 5 mícrons de diâmetro, os sinais na janela de
transmissão de 10 mícrons é o menos afetado, mas se torna também afetado por
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partículas dos diâmetros maiores que 10 mícrons [52].
Figura 35 – Atenuações por espalhamentos correlacionados pelo tamanho médio das
partículas e comprimento de onda do sinal (r2*Qscatt(x)) versus o diâmetro médio das
partículas 2r [52].
As simulações da figura 36 foram realizadas com um software proprietário
chamado SimulightTM [53,54] desenvolvido pela empresa UlmTech e que utiliza os
códigos reconhecidos do software MODTRAN para modelar a atmosfera em
condições claras, de chuva, nevoeiros diversos e neve. Utilizando a distribuição
bimodal da gota do nevoeiro para condições muito baixas das visibilidades,
podemos observar as atenuações mais baixas no comprimento de onda de 10 µm
comparado aos comprimentos de onda mais curtos. Nesta figura os pontos
escolhidos na simulação foram utilizados como referência para comparar com o
estudo experimental em laboratório de Arnulf et al [55].
Condições Atmosféricas e Segurança
89
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(a)
(b)
Figura 36 – Atenuação através do (a) Nevoeiro Seletivo e (b) Nevoeiro Estável [52].
O método de modelar a atenuação produzida pelo nevoeiro deve tratar
nuvens, nevoeiro, e neblina como gotas esféricas de água utilizando a teoria do
espalhamento Mie para simular os coeficientes do espalhamento e os parâmetros
assimétricos. O diâmetro das gotas nas nuvens, na neblina, e no nevoeiro são da
escala de 0,1 a 100 µm, densidades de 1 cm-3 a 103 cm-3. As conclusões são de que
a extinção é pequena quando o diâmetro da gota é muito menor do que o
comprimento de onda do sinal transmitido. O coeficiente de extinção alcança um
Condições Atmosféricas e Segurança
90
valor máximo quando o diâmetro da gota de água se iguala a 16 µm. O coeficiente
de espalhamento para trás flutua quando o diâmetro fica em torno de 3,8 µm
(implicação para os radares laser de 10,6 µm) [45].
Quando as gotas forem pequenas (diâmetro ≤ 1 µm), a absorção domina
com o espalhamento, igualando à relação do coeficiente de espalhamento ao
coeficiente da extinção, também pequeno. (o coeficiente da extinção é a soma da
absorção e dos coeficientes de espalhamento). Quando as gotas se tornam
maiores, o espalhamento é mais importante. Quando o tamanho e a densidade da
gota forem grandes o bastante (em algum valor maior que 5 µm), ocorre o
espalhamento múltiplo, como em nuvens grossas ou no nevoeiro pesado [45].
Através desta comparação de diferentes autores e seus respectivos
resultados podemos observar esta discussão sobre as reais vantagens ou
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desvantagens de se utilizar a janela de transmissão de 10 mícrons para os sistemas
FSO. Conforme pode ser observado, cada simulação é defendida por seus autores
com referências e leis de propagação da luz reais e estabelecidas, e de acordo com
a grande flexibilidade dos parâmetros livres que os softwares contém e
principalmente, a falta de padronização sobre qual nevoeiro está sendo observado
estes espalhamentos. Criou-se então a necessidade de realizarmos um experimento
prático nestas condições de propagação para tentar compreender melhor e de
forma mais clara este assunto.
3.5.3.
Simulações de Chuva
Da mesma forma que as simulações de atenuação dos feixes no
infravermelho para as condições de nevoeiro podemos observar que no tratamento
das atenuações por chuva também existe uma certa discussão sobre seus reais
efeitos, principalmente nos comprimentos de onda do infravermelho distante.
Diferentes autores defendem diferentes pontos de vista e condições específicas de
chuva simulada, e com a grande flexibilidade de parâmetros que podem ser
introduzidos nos softwares de simulação os resultados obtidos geralmente
apresentam respostas diferentes.
A grande maioria dos autores defende a teoria de que a atenuação por chuva
em todo o espectro do infravermelho é constante, ou seja, independe do
Condições Atmosféricas e Segurança
91
comprimento de onda do feixe, como podemos observar pela teoria proposta, onde
o espalhamento devido a chuva é considerado um espalhamento não seletivo,
visto que o tamanho da gota é muito maior do que os comprimentos de onda do
infravermelho.
Em 1920, Preston [56] afirmou que a atenuação da potência pela chuva é
proporcional somente ao número de gotas que caem em uma área unitária da
superfície da terra por segundo.
Devemos considerar as seguintes notações:
-
Za é a taxa de precipitação (cm/s) de um tamanho de gota de raio a
(mm);
-
Na é o número de gotas de raio a em cm3 de densidade da água
ρ=1g/cm3.
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-
As gotas muito pequenas de chuva obedecem a lei de Stokes que limita a
velocidade Va.
Va =
2.a.ρ .g
= 1,2.10 6.a 2
9.η
(32)
Onde a constante gravitacional é g = 980 cm/s2 e a viscosidade do ar é η =
1,8.10-4 g/cm/s. Da eq. (32), nós deduzimos que ρ Za gramas de água por cm por
segundo e o número de gotas em Va cm3 são dados pela eq. (33) [57]:
Xa =
Za
4 π .a 3
3
(33)
Assim, diretamente temos o número de gotas de raio a em um volume
unitário:
Na =
Xa
Va
(34)
Como a eq. (32) é derivada do teorema de Stokes, generalizando estes
resultados para as gotas de maior tamanho, não temos uma boa exatidão sem
medidas experimentais apropriadas. Medidas da velocidade da queda das gotas de
chuva de tamanhos diferentes são apresentados na tabela 4 [58]:
Condições Atmosféricas e Segurança
92
Tabela 4 – Velocidade das gotas da chuva em função do seu diâmetro médio [58].
Tamanho da Gota (mm)
Velocidade (m/s)
D ≤ 0,075 mm
28.D2
0,075 < D ≤ 0,5 mm
4,5.D – 0,18
0,5 < D ≤ 1,0 mm
4,0.D + 0,07
1,0 < D ≤ 3,6 mm
-0,425.D2 + 3,695.D + 0,8
Onde D é o diâmetro da gota. A velocidade da queda de gotas muito
pequenas é proporcional ao quadrado do diâmetro como na eq. (32). Quando
convertemos esta equação às unidades da queda das gotas da chuva em m/s, Va =
32,5 D2 m/s. Esta constante geral é ligeiramente diferente daquela da tabela por
causa das impurezas no ar. Para simular o coeficiente de espalhamento da chuva,
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precisamos determinar o Na da função de distribuição das gotas da chuva. No caso
do software SimulightTM, ele utiliza a forma mais geral de distribuição de
tamanhos das gotas de chuva dada por Weibull [59]:
⎛ a⎞
N
N a = T ϕ (n)n⎜⎜ ⎟⎟
ao .Va
⎝ ao ⎠
n −1
e
⎛ a
−ϕ ( n ) ⎜⎜
⎝ ao
⎞
⎟
⎟
⎠
n
(35)
Com:
ao = d (Z a ) e − cza
b
(
, ϕ ( n) = Γ n 1 + 1
n
)
(36)
Os parâmetros d, b, c, e n são derivados das medidas experimentais de
diferentes condições de chuva. A chuva mais comum tem os seguintes valores de
parâmetros: d = 0,941, b = 0,336, c = 0,471 10-2 e n = 3. A constante NT representa
o número total de gotas de chuva de todos os tamanhos no volume unitário, e é
introduzido no software como a taxa total de precipitação da seguinte forma:
(
Z = Σ Z a = Σ N aVa 4 πa 3
3
a
a
)
(37)
Sabendo que as gotas de chuva têm um raio entre 0,01 e 1 milímetros com
concentração entre 10-2 e 10-5 por cm3, nós podemos supor que as gotas de chuva
não estão sobrepostos. Conseqüentemente, o coeficiente de espalhamento total
pela chuva pode ser obtido da eq. (38) [58]:
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β
Chuva
scatt
⎛a⎞
= ∑ π .a 2 .N a.Qscatt ⎜ ⎟
⎝λ⎠
a
93
(38)
Onde, Qscatt é a eficiência do espalhamento. Esta metodologia aplicada na
simulação apresenta resultados de atenuações por espalhamentos das gotas de
chuva praticamente iguais para todos os comprimentos de onda do infravermelho,
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conforme pode ser observado nos gráficos apresentados na figura 37:
Figura 37 – Simulação da atenuação dos sinais ópticos no infravermelho provocado por
chuva, demonstrando o espalhamento não-seletivo, independente do comprimento de
onda do sinal [58].
Diversas simulações, levando em consideração os espalhamentos como não
seletivos para todos os comprimentos de onda, e os absorvedores naturais em
suspensão na atmosfera, demonstram como conclusão que esta atenuação dos
sinais é realmente independente do comprimento de onda para todos os tipos de
chuvas, modificando a atenuação conforme a intensidade total da chuva [60].
Figura 38 – Atenuação por chuva em diferentes comprimentos de onda e diferentes
taxas de precipitação [60].
Condições Atmosféricas e Segurança
94
Por outro lado, existem simulações, que utilizando um espectro maior, do
infravermelho as ondas sub-milimétricas, por exemplo, demonstram que nos
comprimentos de onda mais altos, igualmente as microondas, também sofrem uma
maior atenuação de sua intensidade quando estão sujeitos a grandes densidades de
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chuva, ficando mais linear quanto menor a quantidade de chuva registrada [61].
Figura 39 – Atenuação atmosférica em função do comprimento de onda do sinal e da
intensidade média do nevoeiro (superior) e chuva (inferior), onde nota-se no caso da
chuva, assim como em microondas, uma dependência da atenuação com o comprimento
de onda transmitido, principalmente em condições de chuva mais forte [61].
Nesta simulação, podemos notar que em condições de chuva extrema, a
diferença de atenuação entre os comprimentos de onda de 1 mícron e 10 mícrons
chega a 10 dB, com vantagem para os comprimentos de onda ainda mais baixos.
Para definir melhor as verdadeiras características de propagação das diferentes
janelas do infravermelho em condições de chuva, fizemos um experimento prático
com uma nova configuração dos enlaces, otimizada para medir a transmissão dos
sinais no infravermelho próximo, médio e distante com mais eficácia e assim
determinar com mais exatidão a dependência ou não do comprimento de onda do
sinal na atenuação por chuva e garoa.
Condições Atmosféricas e Segurança
95
3.6.
Visibilidade
Por definição, visibilidade em meteorologia significa registrar a dinâmica da
atmosfera livre, em função de uma distância, dada pela evolução das condições do
tempo, através de ventos, de altitude, umidade, estabilidade, turbulência, etc. Na
prática de observações atmosféricas, é a maior distância, numa direção dada, em
que é possível ver e identificar a olho nu durante o dia, um objeto proeminente e
escuro contra o céu, no horizonte e à noite, uma fonte de luz conhecida,
moderadamente intensa e, preferencialmente, sem foco.
Este conceito é amplamente utilizado em aplicações que necessitem
caracterizar as condições de propagação no espectro do visível através da
atmosfera, por esse motivo sua aplicação em aeroportos, para auxiliar pilotos na
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navegação sem instrumentos (visual), em estradas para definir as condições de
periculosidade de trechos sob neblina ou chuva ou para a monitoração de poluição
em ambientes ao ar livre são satisfatoriamente boas. Assim como para a visão
humana, as visibilidades mais baixas diminuem a eficácia e a disponibilidade dos
sistemas FSO. As estatísticas das observações em longos períodos de tempo
mostram que algumas cidades, tais como Petrópolis-RJ, têm predominância de
visibilidades médias mais baixas do que cidades como o Rio de Janeiro - RJ. Isto
significa que para a mesma distância, o mesmo sistema FSO no Rio de Janeiro
experimentará uma disponibilidade mais elevada do que um sistema instalado em
Petrópolis. Utilizando estes dados estatísticos, podemos observar que as condições
de baixa visibilidade costumam ocorrer em estações ou períodos relativamente
conhecidos dentro de um ano ou em horas específicas do dia (como nas primeiras
horas da manhã). Especialmente em áreas litorâneas, a visibilidade baixa pode ser
de fenômenos localizados (nevoeiro litorâneo) da mesma forma que em regiões de
maior altitude podemos observar o aparecimento do nevoeiro de inclinação
(upslope). A medida de visibilidade é de grande importância para correlacionar
com sistemas FSO porque ela contempla a maioria dos fenômenos existentes no
meio de propagação e que podem afetar o feixe emitido de forma generalizada,
como vapor d’água, monóxido de carbono, fuligem, poeira, etc. Algumas vezes,
dependendo das condições do local, a única solução contra o impacto negativo da
baixa visibilidade em um sistema FSO é diminuir a distância entre terminais
Condições Atmosféricas e Segurança
96
transceptores para manter uma figura estatística boa de disponibilidade, desta
forma conseguindo uma margem maior para operação do enlace para assegurar
sua conexão em condições de tempo ruins tais como com nevoeiro denso. A
operação redundante do enlace pode melhorar a disponibilidade se a visibilidade
for muito limitada em um local. A visibilidade baixa e os coeficientes de
espalhamento elevados associados são os fatores limites para desdobrar distâncias
mais longas dos sistemas de FSO.
3.7.
Outros Fatores que afetam o FSO
Em uma escala de menor impacto no enlace, podemos ainda observar a
reflexão da luz solar na superfície da terra ou estruturas próximas, a qual uma
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parte dessa energia também pode vir a ser acoplada na óptica do receptor e
detectada pelo sistema variando o nível geral de background dos detectores
durante o dia, causando flutuações dependendo da posição do sol. A radiação
solar que consegue chegar à superfície da terra poderá ser absorvida pelo solo, na
medida em que este tenha pouca refletância (inferior a 10 %). Uma superfície
vegetada á bastante absorvente no visível. Isto é devido à clorofila, que absorve
especialmente no azul, laranja e vermelho, e como absorve menos no verde, este é
mais refletido, tornando a vegetação esverdeada. Já no infravermelho próximo,
nossos olhos não percebem, mas as superfícies vegetadas têm refletância alta (da
ordem ou superior a 35 %). Superfícies minerais também têm refletância alta, a
algumas (como a neve) que refletem a maior parte da radiação solar que chega até
elas. Já a água tem refletância pequena no visível, que vai diminuindo ainda mais
com o comprimento de onda.
Gases absorventes minoritários se comparados a massa de ar presentes na
atmosfera também produzem efeitos consideráveis de absorção, como o vapor
d’água (H2O), que está presente em proporções variáveis (até 15 ou 20 gramas por
cada kg de ar), que é capaz de absorver radiação em várias faixas (bandas de
absorção) no infravermelho próximo (comprimentos de onda maiores que 0,8 µm)
e o dióxido de carbono (CO2) que está presente em concentração constante na
atmosfera (em torno de 350 ppm: partes por milhão), que também absorve
radiação solar em várias bandas de absorção no infravermelho próximo.
Condições Atmosféricas e Segurança
97
3.8.
Segurança
A utilização de dispositivos lasers para os sistemas FSO em regiões
grandemente povoadas requer alguns cuidados especiais no que diz respeito a
segurança no manuseio e operação, tanto dos operadores do sistema na hora da
instalação e manutenção, bem como com eventuais pessoas que venham a ficar na
linha de visada do enlace. A falta de cuidados às normalizações para
comprimentos de onda e potências utilizadas nestes enlaces, bem como falhas
operacionais e de sinalização de advertência que venham a ocorrer na instalação
ou manutenção dos sistemas podem acarretar em danos físicos permanentes as
pessoas atingidas diretamente ou por meio de reflexões do feixe do laser
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transmitido, principalmente afetando o campo da visão.
3.8.1.
Cuidados com os olhos
Em sistemas FSO operados com fontes laser, onde as potências são
geralmente altas, a segurança deve ser levada em consideração como uma
preocupação máxima, principalmente no que diz respeito aos olhos, onde uma
lesão em caso de acidente na maioria das vezes é irreversível.
Ao trabalhar com sistemas FSO, naturalmente o operador acaba ficando
sujeito a receber parte da energia transmitida em seu corpo, principalmente nos
olhos, que são as ferramentas indispensáveis para o alinhamento e montagem. A
utilização de óculos de proteção adequados ou de visualizadores de infravermelho
podem reduzir ou evitar esses prejuízos, porém nem sempre é possível contar com
esses aparatos ou então é necessária a visualização no caso de lasers visíveis.
Outro cuidado importante é com a estrutura do canhão receptor e a
utilização de ferramentas não reflexivas (tipo aço escovado), onde qualquer
reflexão da luz emitida pode eventualmente incidir no olho do operador e causar
sérios danos à retina devido a altas potências envolvidas, mesmo que estejamos
trabalhando com laser na faixa do infravermelho perto, onde não podemos
visualizar, mas os olhos têm a capacidade de focalizar uma considerável
intensidade do sinal a partir de uma certa potência.
Condições Atmosféricas e Segurança
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As características biofísicas do olho humano são completamente diferentes
para as duas faixas predominantes de comprimentos de onda utilizados nos
sistemas FSO comerciais, as considerações de segurança para os olhos tem um
papel chave no comércio dos dispositivos de diferentes comprimentos de onda
hoje. Estes dispositivos ópticos atualmente no mercado podem ser classificados
em duas categorias gerais, os sistemas que se operam em torno do comprimento
de onda de 800 nm e aqueles que se operam em torno de 1550 nm. Os feixes laser
no comprimento de onda de 800 nm e 1550 nm estão situados no espectro do
infravermelho próximo e médio, acima da banda do visível, conseqüentemente
são considerados invisíveis para o olho humano. O olho humano está preparado
para receber os comprimentos de onda do visível, onde a radiação passa através da
córnea e da lente e é focalizada em um ponto minúsculo na retina. Isto é ilustrado
na figura 40, que se aplica para comprimentos de onda do visível ao começo do
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espectro do infravermelho até os 1400 nm. A radiação do feixe laser colimado que
é absorvido pelo olho nesta região de comprimento de onda é perigosa porque será
concentrado por um fator de 100.000 vezes para atingir esse ponto minúsculo da
retina [62]. Como a retina não tem nenhum sensor de dor, e a radiação no espectro
invisível não induz um reflexo de piscamento, em 800 nm o olho irá sofrer um
fenômeno chamado acomodamento, onde irá tentar focalizar ao máximo como se
estivesse enxergando no visível, e desta forma a retina pode ser permanentemente
danificada por esse feixe antes que a vítima esteja ciente do que ocorreu.
Figura 40 – Características de transmissão e absorção do olho humano para o espectro
do visível até o início do infravermelho próximo, onde a radiação é focalizada na retina.
Diferentemente na figura 41 podemos observar que os feixes de laser no
comprimento de onda de 1550 nm são pouco absorvidos pela córnea e pela lente, e
Condições Atmosféricas e Segurança
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não conseguem ser focalizados na retina, considerando uma potência equivalente
ao laser de 800 nm, o excesso de potência causa os mesmos danos que o outro
laser por causa da densidade pela área.
Figura 41 – Características de transmissão e absorção do olho humano para o espectro
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do infravermelho próximo, médio e distante, onde a radiação não é focalizada na retina.
É possível projetar transmissores dentro das normas de segurança para os
olhos com lasers de comprimentos de onda em 800 nm e em 1550 nm, mas devido
a biofísica acima mencionada, a potência permitida do laser que opera em 1550
nm é aproximadamente cinqüenta vezes mais alta do que em 800 nm. Este fator de
cinqüenta vezes é importante para o projetista de um sistema de comunicação
óptica no espaço livre, porque a potência adicional permite que o sinal propague
por distâncias mais longas com uma condição de atenuação menos favorável.
A segurança dos olhos em relação a radiação laser é classificada pela
International Electrotechnical Commission (IEC), que é a responsável pelos
padrões internacionais para todos os campos da eletrotecnologia, sendo que suas
normas são adotadas pelas agências reguladoras na maioria dos países do mundo.
Por exemplo, um transmissor laser que seja seguro para ser visto pelo olho
humano é designado Classe 1M da IEC ou um transmissor que seja também
seguro para ser visto com o olho humano com 25 milímetros de abertura é
designado a classe 1 da IEC. As classificações da segurança de lasers são
encontradas na documentação 60825-1 emenda 2 da IEC.
As fontes de lasers são divididas basicamente em quatro grupos, conforme o
tipo de lesão que provocam nos olhos. Os quatro grupos são numerados de I a IV.
CLASSE I - Trata-se de lasers de baixa potência, cujo perigo é moderado,
porém não é aconselhável olhar diretamente para nenhum tipo de laser.
Condições Atmosféricas e Segurança
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CLASSE II - Emitem radiação visível de baixa potência e provavelmente
não prejudicam os olhos se não forem olhados diretamente durante mais de 0,25 s;
0,25 s é o tempo de rejeição do olho à luz, que no caso é o tempo que o olho leva
para piscar. Nas regiões do visível e do infravermelho próximo os lasers do grupo
II emitem de 1 µW a 1 mW, aproximadamente conforme o comprimento de onda
que varia de 400 nm a 700 nm. As classificações deixam uma margem de
segurança razoavelmente grande, mas não convém olhar diretamente para o feixe
emitido pelos lasers do grupo II.
CLASSE IIIa e IIIb e IV - Provocam lesão no olho em menos de 0,25 s. Os
lasers do grupo IV são os que apresentam níveis de radiação muito perigosos por
reflexão difusa. Além disso, vários lasers do grupo IV chegam a produzir fogo ou
emitir tanta potência que conseguem vaporizar qualquer material que usamos para
bloquear o feixe, colocando no ar certos compostos químicos perigosos, como o
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de berílio, por exemplo [62]. Com exceção dos lasers do grupo I, todos os outros
precisam receber etiqueta de identificação para estabelecer o grupo a que
pertencem.
Podemos ter uma idéia melhor do esquema de classificação dos lasers
através de uma comparação dos níveis de irradiância que se estabelecem na retina
quando olhamos diretamente para o sol e quando olhamos diretamente para um
laser de He-Ne de 1 mW. O sol produz um ângulo de aproximadamente 10 mrad e
emite uma irradiância de 100 mW.cm-2 na superfície da terra. Como a distância
focal do olho é aproximadamente 25 cm, com o olho na claridade, o diâmetro da
pupila mede aproximadamente 2 mm e a potência que incide na pupila é de 3 mW.
A irradiância é de 6 mW.cm-2, que é a potência dividida pela área da imagem. Já o
olho no escuro, a pupila chega até 8 mm e a irradiância na retina pode chegar a
100 mW.cm-2.
Se incidirmos diretamente no olho o feixe de laser de 1 mW de 2 mm de
diâmetro, sendo a largura do feixe 1 mm, com a pupila do olho limitada por
difração e se o comprimento de onda do laser for 633 nm, o raio da cintura do
feixe na retina é aproximadamente igual a 5 µm. A irradiância média no interior
de um círculo que tem esse raio é de 1 kW.cm-2, que é quase 200 vezes maior do
que a irradiância emitida pelo sol. Portanto as normas de segurança devem ser
seguidas com rigor dependendo do laser utilizado [62].
Condições Atmosféricas e Segurança
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3.8.2.
Efeitos do Laser nos Tecidos
Muitas vezes os enlaces ópticos exigem e possuem potências muito elevadas
das fontes lasers, da ordem de Watts, para funcionarem em condições adversas de
propagação e manterem a disponibilidade dentro das normas especificadas, desta
forma, demonstramos também os efeitos da exposição da pele na linha de visada
do laser. Ao interagir com a pele a luz reage aos componentes do tecido e com
seus pigmentos. Assim podemos observar as seguintes relações laser x tecido,
onde a energia pode ser:
1- Parcialmente absorvida;
2- Refletida;
3- Parcialmente espalhada;
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4- Absorvida.
O efeito térmico é diretamente proporcional a energia que é cedida ao
tecido. Energia, potências e densidade de potência são parâmetros físicos. A
energia é medida em Joules (J), a potência em Watts (W). A potência (W) =
Energia (J) / Tempo (t). Portanto a energia é transferida em função do tempo para
o tecido. A resposta tecidual é governada pela área (spot size), ou seja, pela
densidade de potência. Quanto maior a densidade, maior será o calor no tecido
atingido. Assim além dos equipamentos modulados alterarem a densidade do laser
sobre o tecido, os movimentos do tecido atingidos em frente ao feixe também
colaboram para reduzir este efeito tecidual.
Esta interação é melhor visualizada na eq. (39):
W.
t
J
= f. 2
SpotSize
cm
(39)
Onde notamos que é diretamente proporcional a potência (W), ao tempo de
exposição (t) e a freqüência (f) e inversamente a área atingida (spot size). A forma
como se manifesta esta interação nos tecidos humanos:
- Fototérmica - A energia emitida pelo laser é absorvida e convertida em
calor, produzindo sensação térmica de calor e vaporização, onde os pulsos têm
que ser longos em torno de 1 ms ou maiores.
Condições Atmosféricas e Segurança
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- Fotomecânica - A energia cedida deve ser muito alta e em pulsos rápidos
em torno de 100 µs ou menores, produzindo uma onda de choque mecânica
rompendo o tecido.
- Fotoquímica - A interação do laser ocorre nas ligações a nível molecular
podendo bioestimular uma molécula inerte em ativa e assim produzir um gatilho
de ação intracelular. Normalmente sem efeito térmico e com comprimento de
onda muito pequeno e sem interesse em sistemas FSO (Ultravioleta).
- Fotobioestimulação - Lasers de baixas potências (mW) produzem feixe de
fótons que podem estimular e ordenar. Ação ao nível de mitocôndrias e membrana
celular.
- Fototermólise Seletiva – Ao nível de tecidos, tem grande importância nos
sistemas FSO e também é a principal característica dos lasers aplicados a
medicina. Seus efeitos ocorrem na presença dos Cromóforos, que são os
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pigmentos endógenos do tecido que absorvem seletivamente o laser. Assim alguns
tecidos serão transparentes ao laser, enquanto outros o absorverão totalmente.
Portanto podemos ter a destruição de alguns tecidos alvos preservando outros. É o
que acontece com o laser de Alexandrita e o Rubylaser que estão na faixa do
vermelho e são absorvidos principalmente pela melanina e pigmentos escuros da
pele, produzindo destruição de pelos ou manchas sem destruir a pele. O laser
NdYAG na faixa do infravermelho tem mais afinidades com a hemoglobina em
relação a melanina, na medicina, são utilizados em lesões pigmentadas.
Cuidados especiais devem ser tomados também com a pele na utilização
dos lasers de CO2 ou QCL, pois devido às altas potências e ao comprimento de
onda no infravermelho médio e distante tem como sua afinidade a absorção da
água. Como os tecidos têm como componente predominante H2O, seus efeitos são
mais amplos. Algumas reações teciduais podem até ser visualizadas. Em caso de
acidente, quando atingem temperaturas de 60º C não há alteração visual. Até 45º
C as alterações são reversíveis. Acima entre 45º C até 65º C as enzimas são
destruídas, Ocorre uma coagulação celular, Entre 65º C e 90º C as proteínas se
desnaturam completamente, o tecido adquire uma cor esbranquiçada. A 100º C
ocorre uma vaporização da água celular rompendo as células, produzindo vapor e
fumaça. Se houver emissões de energia em alta potência, atingindo temperaturas
superiores à 100º C observa-se a carbonização.