Campos Elétricos na Região lonizada da Atmosfera

Revista Brasileira de Física, Vol. 11, nP 3, 1981
Campos Ellétricos na Região lonizada da Atmosfera
V. W. J . H . KIRCHHOFF
Instituto de Pesyuisas Espaciais/CNPq, São José dos Campos, SP
Recebido em 26 de Outubro de 1977
The p r o p e r t i e s and o r i g i n s o f the ionospheric e l e c t r i c f i e l d s a r e
reviewed. The e a r l y t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s o f e l e c t r i c f i e l d s , based
the gebmagnetic v a r i a t i o n s a r e discussed, as w e l l as the most recent
syrements made by v a r i o u s techniques. Some o f the mos,t s t r i k i n g
on
mea-
e f fec t s ,
caused by ionospheric e l e c t r i c f i e l d s , a r e p o i n t e d o u t .
As propriedades e o r i g e n s dos campos e l é t r i c o s i o n o s f é r i c o s
revisadas.
Discutem-se os p r i m e i r o s c á l c u l o s t e ó r i c o s , baseados
nas
são
va-
riar,Ões geomagnéticas, assim como r e s u l t a d o s recentes de medidas de campos
e l é t r i c o s , f e i t a s por d i f e r e n t e s métodos.
Alguns dos e f e i t o s mais marcan-
tes, causados por campos e1 é t r i c o s i o n o i f é r icos, são demonstrados.
1. CONCEITO E PROPRIEDADES
A r e g i ã o ionizada da atmosfera s u p e r i o r , a ionosfera,
t u í d a basicamente de t r ê s camadas, cada uma das qua i s
6
6 consti-
governada por pro-
cessos f í s i c o s e químicos d i f e r e n t e s . Os l i m i t e s e a extensão v e r t i c a l das
camadas v a r i a em função de v á r i o s parâmetros g e o f i s i c o s , e os números dados a s e g u i r são apenas aproximados. Define- se a região D, ou camada
f e r i o r , e n t r e 70 e
90 km
in-
de a l t u r a ; r e g i ã o E, ou camada intermediária,en-
t r e 90 e 150 km; e a r e g i ã o F, acima de 150 km.
Devido ás c a r a c t e r i s t i c a s i n t r í n s e c a s da i o n o s f e r a ,
e l é t r i c o pode se m a n i f e s t a r de d i f e r e n t e s maneiras.
-+
um
campo
Na r e g i ã o F, por
e-
xemplo, o campo e l é t r i c o E e s t á diretamente l i g a d o ao c o n c e i t o de v e l o c i dade de d e r i v a
?,
a t r a v é s de
t = Z x 3,232
onde
3
é o v e t o r indução magnêt i c a e B seu mõdulo. Já na r e g i ã o E, o cam-
po e l é t r i c o é função de condutividade e c o r r e n t e , relacionados a t r a v é s da
essencial -
equação Ohm general izada. De qualquer modo, um campo e l é t r i c o
mente representa uma f o r ç a por unidade de carga e l é t r i c a . Esta f o r ç a ,
a-
p l i c a d a na i o n o s f e r a , pode, p o r t a n t o , a l t e r a r o estado de repouso
de
ou
movimento das c a r i a s l i v r e s , dando origem a c o r r e n t e s e l é t r i c a s na r e g i ã o
E , ou simplesmente velocidades de d e r i v a i g u a i s para as cargas p o s i t i v a s e
negativas, na r e g i ã o E'.
Medidas d i v e r s a s revelam a e x i s t ê n c i a de campos e l é t r i c o s & va-
'-
r i a ç ã o rápida e de variação l e n t a com o tempo, assim como campos e l e t r i c o s
com variações e s p a c i a i s de comprimentos c a r a c t e r í s t i c o s , h o r i z o n t a i s , desde alguns metros a t é v á r i o s q u i l ô m e t r o s .
Nesta r e v i s ã o serão t r a t a d o s
os
campos e l é t r i c o s de variação temporal l e n t a e de grande escala.
Uma propriedade importante dos campos e l é t r i c o s
é a suapouca va-
r i a ç ã o com a a l t u r a , d e n t r o da i o n o s f e r a propriamente d i t a . Pode-se
que o campo e l é t r i c o se "propaga" ao longo das l inhas do campo
sem atenuação de cima para baixo, ou de b a i x o para cima"2.
dizer
magnético,
Esta
caracte-
r í s t i c a pode-se l i g a r ao f a t o de ser a condutividade e l é t r i c a , ao longo do
campo magnético, muitas vezes maior do que a condutividade na d i r e ç ã o p e r p e n d i c u l a r ao campo magnêt ico, na r e g i ã o s u p e r i o r da ionosfera.
p o r t a n t o , pensar nas l inhas de campo magnêtico como sendo
Pode-se,
1 inhas
equipo-
t e n c i a i s , o que também i m p l i c a no f a t o de que o campo e l ê t r i c o é
mente p e r p e n d i c u l a r ao campo magnético. Como as l i n h a s de campo
c u j a forma é, aproximadamente, a de um d i p o l o , divergem
5
pratica-
magnético,
medida
que
se
afastam da s u p e r f í c i e t e r r e s t r e , o campo e l é t r i c o tamb6m se m o d i f i c a , numa
transformação que se denominou de mapeamento do campo e l é t r i c o 3 .
O termo dernua é adicionado
cidade de d e r i v a ou " d r i f t v e l o c i t y " ) ,
5
p a l a v r a velocidade ( i s t o é,
para e n f a t i z a r o e f e i t o
magnético sobre o movimento de p a r t í c u l a s carregadas.
Devi do
2
campo
Na ausência do cam-
po magnético, a velocidade das p a r t i c u l a s s e r i a na d i r e ç ã o do
t r i co apl i cado.
do
velo-
campo
elé-
presença permanente do campo geomagnét i c o ,
no
entanto, as velocidades se desenvolvem perpendicularmente ao campo e l é t r ico, como é o caso da r e g i ã o 8,por exemplo. Na r e g i ã o s u p e r i o r da ionosfer a pode-se, p o r t a n t o , f a z e r medidas da velocidade de d e r i v a e dai determi-
nar o campo e l é t r i c o . Este é o processo efetivamente usado p e l a t é c n i c a do
espa lhamen t o incoerente, que mede a velocidade a t r a v é s do e f e i t o Doppler
.
Deve-se n o t a r que a velocidade de d e r i v a não é, necessariamente,
devida apenas
ação de campos e l é t r i c o s . Pode-se mostrar que, de modo ge-
ral,
+
onde V é a velocidade de d e r i v a ,
q, e L3 o campo magnético.
3
F a f o r ç a a t u a n t e na p a r t í c u l a
Os d o i s t i p o s mais comuns da f o r ç a
3
de
carga
são: o de-
v i d o ao campo e l é t r i c o (predominantes na r e g i ã o F da i o n o s f e r a ) ; devido
c u r v a t u r a do campo magnético, sua diminuição com a l t u r a , e gravidade
p o r t a n t e s na magnetosfera)
à
(im-
.
2. ORIGEM DOS CAMPOS ELÉTRICOS
Em geral os campos e l é t r i c o s i o n o s f é r i COS são
~ S S O C
iados
à região
E , onde são c r i a d o s p e l a separação das cargas e I é t r i c a s por ação dos
t o s neutros. Além desses campos e l é t r i c o s , o r i g i n a d o s na r e g i ã o E,
propostos campos e l é t r i c o s com origem na r e g i ã o
nesféricos,
r,
venforam
e campos e l é t r i c o s mag-
l igados ao processo de convecção magnética na magnetosfera, r e -
g i ã o e s t a que se estende além da i o n o s f e r a .
2.1. Campos el6tricos da região E
As condutividades i o n o s f é r i c a s variam com a a l t u r a ' de t a l modo que
a 110 km, aproximadamente, e x i s t e uma camada condutora excelente,
o d i a . Esta camada c e n t r a l izada na r e g i ã o E, é conhecida como a
durante
r e g i ã o do
dínamo a t m o s f é r i c o . Seu comportamento é semelhante a um dinamo, ou gerador
de c o r r e n t e , quando forças externas, representadas p e l o s ventos neutros da
região, a movimentam no campo geomagnético t e r r e s t r e . A essas c o r r e n t e s el é t r i c a s estão associadas os campos e l é t r i c o s do dínamo, ou campo
elétri-
cos da r e g i ã o E.
0s campos e l é t r i c o s da r e g i ã o E podem ser estudados
a t r a v k das
c o r r e n t e s e l é t r i c a s que a í se desenvolvem, e que causam as variações
n é t i c a s medidas p e l o s magnetometros. A r e l a ç ã o 6 expressa a t r a v é s de
mag-
onde
2é
o v e t o r densidade de c o r r e n t e ( ~ / r n ' ) , Ü 6 o t e n s o r c o n d u t i v i d a d e
i
+
é o v e t o r campor e l é t r i c o ( ~ / m )e U x B é o campo i n d u z i d o , sen-
2
i
do U o v e t o r v e l o c i d a d e das p a r t í c u l a s n e u t r a s (m/seg),
+
indu-
e B o vetor
.
ção magnét i c a ( ~ b / r n ~ )
As v a r i a ç õ e s magnet i c a s mencionadas acima, podem s e r usadas
pa-
periodos
r a d e d u z i r as c o r r e n t e s do dínamo. As v a r i a ç õ e s o b t i d a s , d u r a n t e
não p e r t u r b a d o s magnet icamen t e , contêm uma componente p r i n c i p a 1 chamada S
4'
além de o u t r a s representando
em g e r a l menores.
Basicamente, a dedução dos campos e l é t r i c o s pode s e r
d o i s modos: o p r i m e i r o usa as v a r i a ç õ e s do campo magnético S
i
4
l a r as c o r r e n t e s , e, em seguida, d e t e r m i n a E e
-
U
4
+
obtida
para
x B impondo as condições
Os campos
e l é t r i c o s , assim c a l c u l a d o s , mas na forma de v e l o c i d a d e s de d e r i v a ,
m s t r a d o s na F i g u r a 1 . O segundo método assume um modelo
' 6
calcu-
+
de d i v e r g ê n c i a n u l a de c o r r e n t e e i r r o t a c i o n a l idade do v e t o r E.
neutros,
de
para
os
estão
ventos
p a r a e n t â o determi n a r campos e c o r r e n t e s . E s t e s métodos de cá1 -
c u l o são m u i t o traba!hosos e dependem de v á r i a s h i p ó t e s e s s i m p l i f i c a d o r a s .
TEMPO LOCAL (hs)
Fig
1
-
V a r i a ~ ã omédia da velocidade de deriva em função de tempo
e latitude. Resultados teóricos v .
Provavelmente,
i s t o e x p l i c z o f a t o de nem sempre estarem de acordo com me-
didas de campos e l é t r i c o s . Os r e s u l t a d o s t e õ r i r o s o b t i d o s , contudo,
foram
os p r i m e i r o s a i n & i c a r a v a r i a ç ã o temporal e l a t i t u d i n a l dos campos e l é t r i cos e, como ainda não existem modelos mais completos, t ê m s i d o
freqgente-
mente usados para compara~ãocom medidas.
2.2. Campos el6tricos da regiao F
~ i s h b e t hs u~g e r i u que campos e l e t r i c o s podem ser c r i a d o s
na r e g i ã o F, especialmente à n o i t e . As c o r r e n t e s e l é t r i c a s
-+
-+
J = %V .(onde
N é a densidade e l e t r ô n i c a e q a carga)
-+
dos ventos termosfér i c o s (ae velocidade V ) ,
3 da
,' fornadas
região
F,
p e l a açáa
são. em g e r a l , m u i t o pequenas
e d e s p r e z í v e i s com r e l a ç ã o 5s c o r r e n t e s da r e g i ã o E. No entanto,
q u a n d o a i o n ; z a ç ã o d a r e g i ã o E d i m i n u i r n u i t o , sua c o n t r l b u i ç ã o
apreciável.
também
5 noite ,
pode
ser
Nos casos em que e s t a s c o r r e n t e s não podem fechar seu c i r c u i -
t o , cargas de p o l a r i z a ç ã o c r i a r ã o um campo e l é t r i c o do t i p o de p o l a r i z a ç ã o
que se oporá
à passagem da c o r r e n t e , mas que, ao mesmo tempo, dará
origem
a d e r i v a s do t i p o H a l l .
Num sistema de coordenadas em que x aponta para a l e s t e magnét i
co, y para o n o r t e magnético e z para cima, a velocidade
íons,
de
deriva
-
dos
x e Ug' será
induzida p e l o s ventos t e r m o s f e r i c o s LI
onde I é c ângulo de i n c l i n a ç z o do campo magnético, v é a f r e q l i ê n c i a d e c o l i s ã o e n t r e íons e p a r t í c u l a s neutras, u a g i r o - f r e q u ê n c i a e o índjce, i n d i c a a componente p e r p e n d i c u l a r ao campo magnético, Além d i s s o , f o i impost a a c o n d i ~ ã ode que a mobi 1 idade Hal l é m u i t o maior que a Pedersen,e
a I/&.
As c o r r e n t e s e l é t r i c a s associadas a essas velocidades serão
igual
o n d e N ê a d e n s i d a d e i õ n i c a e q a c a r g a d o e l é t r o n , evi/%
e s t a s c o r r e n t e s não consegui rem fechar seu c i r c u i t o , os
>ve/ue.
campos
Se
elétricos
de p o l a r i z a ç ã o serão e s t a b e l e c i d o s em s e n t i d o c o n t r á r i o ao das c o r r e n t e s na
d i r e ç ã o em que prevalece a condutividade Pederseti qv/wB, e serão i g u a i s a
= U
E
=UxB
Y'
-+
E x
B sin I
Ex
Y
Estes campos e l é t r i c o s , por sua vez, causarão d e r i v a s
$/a2, dadas por
vx
=
V
= U
Y'
do
tipo
.vz
Y
sin
I
o que impl i c a em velocidades de d e r i v a , na r e g i ã o F, da ordem de
grandeza
dos ventos termosféricos, e na mesma d reção destes.
2.3. Campos el6tricos magnetosf6ricos
Nas regiões polares, além do slstema S
Q
de c o r r e n t e s , j á mencio-
nadas para médias e baixas l a t i t u d e s , e x i s t e um o u t r o sistema de c o r r e n t e s
designado por
8,
onde p
9
quer d i z e r p o l a r . Uma representação esquemática é
mostrada na F i g u r a 2. A d i f e r e n ç a fundamental
e que
essas c o r r e n t e s
são
c r i a d a s por campos e l é t r i c o s que se o r i g i n a m na magnetosfera. Estes campos
Fig.2
- Representação
esquemãtica do f l u x o p o l a r de c o r r e n t e s e l é -
t r i c a s . no h e m i s f é r i o n o r t e ,
$. A
projegáa c e n t r a l (N) representa
o p o l o n o r t e . As setas representam a d i r e ç ã o do vento s o l a r .
Fig.3
-
Hagnetosfera t e r r e s t r e do h e m i s f é r i o n o r t e , mostrando as
evolugões das i inhas de campo geomagnético acompanhando
a
con-
vecção magnetosférica (A e 6 ) . C e D , em termos de c o r r e n t e elét r i c a , correspondem ã F i g u r a 3 . Segundo R a t c l i f f e 2 ' .
e l é t r i c o s , e suas r e s p e c t i v a s velocidades de d e r i v a , estão
l igados ao pro-
cesso denominado de convecção magnetosfér i ~ a ' ' ~ Quando
.
o plasma se
menta nas regiões mais extensas da magnetosfera,
movi-
onde a frequência de co-
l i s ã o é d e s p r e z í v e l , l e v a consigo as l i n h a s de campo magnético. A F i g u r a
3
mostra como os deslocamentos de plasma na magnetosfera são t r a n s f e r i d o s ao
longo das l inhas do campo magnético a t é a ionosfera da r e g i ã o p o l a r .
As p a r t i c u l a s carregadas seguem as 1 inhas de campo magnético
movimento, enquanto a f requênc i a de c01 i s s o for menor do que
a
em
g i r o - fr e -
-
quência. Em a l t u r a s mais baixas, esta condição deixa de ser v á l i d a
para
ions, em t o r n o de 140 km e, para e l é t r o n s , a 8 0 km. Neste i n t e r v a l o de a l t u r a , p o r t a n t o , os e l é t r o n s acompanham o movimento r o t a t ó r i o
l inhas
das
magnéticas, mas não os i o n s . As c o r r e n t e s r e s u l t a n t e s , que fluem em
ção oposta ao movimento dos e l é t r o n s , constituem o sistema p o l a r
rentes
#9
de
direcor-
da Figura 2.
Durante a t i v i d a d e
magnética acima da normal,
cos em l a t i t u d e s médias sofrem a1 terações a p r e c i á v e i s ,
05
campos e l é t r i -
t a n t o em
quanto em d i r e ç ã o , causado pela então maior i n f l u ê n c i a do
campo
magnitude
elétrico
magnetosférico (Figura 4). A i n t e r p r e t a ç ã o é que na magnetosfera se desenv o l v e um campo e l é t r i c o d i r i g i d o de l e s t e para oeste; na r e g i ã o
d iano oposto
à
do
meri-
projeção s o l a r , responsável p e l o deslocamento da plasmapau-
MILLSTONE HILL
42.6N 71.5W3 0 0 Km
-
OESTE
u
-TEMPO LOCAL íhr)
Fig.4
-
Variações t e n p o r a i s da v e l ~ c i d a d ede d e r i v a medidas duran-
t e a t i v i d a d e m p é t i c a e comparação com perrodos não perturbados.
sa em d i r e ç ã o
à
s u p e r f i c i e da T e r r a . C mapeamento d e s t e campo e l é t r i c o
3
m a p e s t o s f e r a para a i a n o s f e r a , r e s u l t a em v e l o c i d a d e s de d e r i v a
n o r t e e para oeste,
para
da
o
r e s p e c t l v a m e n t e 5 s 12 e 18 horas d e tempo l o c a l .
3. EFEITOS PROVOCADOS BELOS CAMPOS ELETRICOS
Os p r i n c i p a i s e f e i t o s causados na i o n o s f e r a , p e l o s campos e1 é t r i cos, são de ordem dinâmica,
i s t o é, sua i n f ! u ê n c i a e s t á d i r e t a m e n t e l i g a d a
ao t r a n s p o r t e de m a t e r i a i o n i z a d a . Em l a t i t u d e s médias, sua c o n t r i ~ u i ç ã o n o
equi 1 i b r i o d e f o r ç a s é r e l a t i v a m e n t e pequena d u r a n t e
caln:os,
per iodos
m a p é t icos
podendo t o r n a r - s e o termo dominante em per rodos magnet icamente p e r -
turbados.
O conhecimento dos campos e l é t r i c o s ( v e l o c i d a d e s d e d e r i v a ) G imp o r t a n t e para o c á l c u l o dos v e n t o s t e r m o s f é r i c o s , para o s q u a i s a f o r ç a de
c01 i s ã o , e n c r e í o n s e p a r t í c u l a s n e u t r a s ,
representa a força p r i n c i p a l
de
reação c o n t r a o g r a d i e n t e h o r i z o n t a l d e pressão, que é a f o r ç a g e r a d o r a d o s
v e n t o s termosfGr i c o s . Esta f o r ç a p o r u n i d a d e de massa,
onde V é a f r e q u ê n c i a de c01 i s s o
ê expressa p o r v!U-V)
e n t r e p a r t í c u l a s n e u t r a s e l o n s , U a ve-
l o c i d a d e do v e n t o , e V a v e l o c i d a d e de d e r i v a dos Tons.
O campo e l é t r i c o tem p r o v a v e l m e n t e um papel i m p o r t a n t e ha fnrmação da camada E e s p o r á d i ~ a ' ~ A
. t e o r i a d e formação d e s t a camada", c a l c u l a
a v e l o c i d a d e de d e r i v a v e r t i c a l dos Í o n s provocada p e l a ação dos v e n t o s da
r e g i ã o E e i n d i c a que há o c a s i õ e s em que, a c e r t a a l t u r a , a v e l o c i d a d e
é
convergente, provocando assim um acümulo de í o n s numa camada r e l a t i v a m e n t e
e s t r e i t a . i\ t e o r i a , a t é recentemente, desprezava o e f e i t o de
campos
elé-
t r i c o s . Pode-se m o s t r a r , no e n t a n t o , que a i n c l u s ã o da v e l o c i d a d e de d e r i va, gerada p e l o campo e1 ê t r i c o , m o d i f i c a c o n s i d e r a v e l m e n t e a v e l o c i d a d e r e s u l tante i 2 , podendo mod/ f i c a r a a l t u r a do acümulo e, geralmente, f a v o r e c e n do a formação da camada.
3.1. Formação dos eletrojatos
Próximo ao equador magnético, e nas r e g i õ e s
da
aurora
polar,
f l u e m i n t e n s a s c o r r e n t e s e l g t r i c a s que recebem o nome d e e l e t r o j a t o s .
Nas
r e g i õ e s menc ionadas, a condut i v i d a d e e1 é t r i c a a p r e s e n t a v a l o r e s s u p e r i o r e s
ao do plasma ambiente. For uma questão de g e o m e t r i a , no equador magnético,
e p o r causa de p r e c i p i t a ç ã o de p a r t í c u l a s , na r e g i ã o a u r o r a l , um campo
l é t r i c o a7 a p l i c a d o , causará o aparecimento d e um campo e l é t r i c o
e-
secundá-
r i o ou de p o ! a r i z a ç ã o .
Consideremos o exemplo da F i g u r a 5. A r e g i ã o "I" é uma f a t i a
plasma de c o n d u t i v i d a d e s m a i o r e s do que as da r e g i ã o "2". Suponhamos
que Lim c e r t o campo e l é t r i c o , Ex
,
e s t á a p l icado na r e g i ã o "2".
de
agora
O mesmo
e s t a r tambêm a p l i a d o na r e g i ã o "l", porque a componente t a n ç e n c i i l docampo se mantém i n a l t e r a d a ao passar de uma r e g i ã o para o u t r a ,
de c o n d u t i v i -
dade d i f e r e n t e . E s t e campo e l é t r i c o f o r ç a r á uma c o r r e n t e Pedersen, na d i r e ção
x,
em "1"
e uma c o r r e n t e H a l l , na d i r e ç ã o y. As c o r r e n t e s serão mais i n t e n s a s
do que em "2".
iig.5
E n t r e t a n t o , a componente nornia! da c o r r e n t e deveman-
- Representação esquemitica
para explicar a fornaçãs dos ele-
trojatos. A região 1 apresenta condutividade maior do que a
2.
região
t e r - s e i n a l t e r a d a ao passar de um meio para o u t r o . I s t o só pode
se, em "li',f o r c r i a d o um campo e l é t r i c o secundário,
-E
Y'
l a r ização,
também chamado d e po-
que d a r á o r i g e m a uma c o r r e n t e Pedersen,
uma c o r r e n t e Hal I , na d i r e ç ã o
x.
na d i r e ç ã o -y,
A c o r r e n t e Pedersen a n u l a r á o
c o r r e n t e H a l l do campo e l é t r i c o a p l i c a d o ,
a c o r r e n t e H a l l s e c u n d ã r i a somar-se-á
Ex,
acontecer
e
excesso da
na r e g i ã o t t l t l ,ao passo que
c o r r e n t e Pedersen de
Ex. O
resulta-
do f i n a l é que uma c o r r e n t e mais i n t e n s a f l u i r ã na d i r e ç ã o s, d e n t r o d a f a t i a de plasma, ao passo que, na d i r e ç ã o y, só teremos
devida a
E
2
a
componente H a l l ,
com a c o n d u t i v i d a d e H a l l da r e g i ã o "2".
As equações das c o r r e n t e s para as duas r e g i õ e s , sendo C
c o n d u t i v idades Pedersen e Ha 1 1 respec t ivarnente, são
e igualando J
Y
P
e
7
"H
as
nas duas r e g i õ e s , a c o r r e n t è s e r á
3.2. Modificações em hmF2
Há o c a s i õ e s em que o s campos e l é t r i c o s i o n o s f é r i c o s crescem cons i d e r a v e l m e n t e em r e l a ç ã o ao seu v a l o r médio, o que geralmente e s t ã
c i a d o a p e r t u r b a ç õ e s magnéticas. Nestes casos, o campo e l é t r i c o
asso-
pode
responsãvel p o r uma v a r i a ç ã o acentuada na a l t u r a da camada i o n i z a d a ,
ser
cau-
sada p e l a componente v e r t i c a l da v e l o c i d a d e de d e r i v a .
Um exemplo t í p i c o d e s t e e f e i t o e s t ã r e p r e s e n t a d o na F i g u r a
6, on;
de mostramos as v a r iaçÕes s imul tâneas da a1 t u r a do p i c o de ionização,hmF2,
e a componente s u l - n o r t e , p e r p e n d i c u l a r ao campo magnético, da
velocidade
de d e r i v a , medidos em M i l l s t o n e H i l l . As c u r v a s r r a c e j a d a s representam
a
média aproximada dessas v a r i a ç õ e s para d i a s não p e r t u r b a d o s magneticamente.
0s t r a ç o s c o n t í n u o s representam medidas13 r e l a t i v a s a um
dia
perturbado.
i0
1'2
1'4
1'6
i8
TEMPO LOCAL (hs)
Fig.6
-
Variação com o tempo da a l t u r a do p i c o de densidade e l e t r ô -
n i c a da r e g i ã o F para d i a s normais ( l i n h a t r a c e j a d a ) e para um
dia
perturbado ( I inha c h e i a ) e as r e s p e c t i v a s velocidades de d e r i v a par a n o r t e e perpendiculares a 0 .
~ e d i d a spor r a d a r .
Notar que um aumento considerãvel na velocidade de d e r i v a
6 acompanhado,
quase que sirnul taneamente, por uma elevação de cerca de 30 km do
pico
de
densidade e l e t r ô n i c a .
4. MEDIDAS DE CAMPOS ELÉTRICOS
As primei r a s medidas d i r e t a s de campos e l é t r i c o s ionosféricos são
r e l a t i v a m e n t e recentes (- 1960). Antes disso, nosso conhecimento
sobre
os
campos e l é t r i c o s era baseado apenas nos e f e i t o s que causam: movimentos
de
íons e e l é t r o n s , c o r r e n t e s e l é t r i c a s , e d e r i v a s de i r r e g u l a r i d a d e s i o n i z a das. As velocidades de d e r i v a podem ser da ordem de grandeza
de
algumas
centenas de metros por segundo, correspondentes a campos e l é t r i c o s de dezenas de m i l i v o l t s por metro. Campos e l é t r i c o s de alguns m i l i v o l t s por met r o são t í p i c o s na r e g i ã o das c o r r e n t e s S
em l a t i t u d e s médias, ao passo
4'
que, nas a1 t a s l a t i t u d e s , os campos podem a t i n g i r v a l o r e s da ordem de 100
mv/m
.
4.1. Daposição da nuvens artificiais na ionosfera
O n é t o d o de d e p o s i t a r nuvens a r t i f i c i a i s na a l t a a t m s f e r a ' " ,
foi
um dos p r i m e i r o s a Fornecer medidas de c m p o s e l & t r i c o s . Compostos e s p e c i a i s Je b á r i o , ievados a grandes a l t u r a s em f o g u e t e s e a í l iberaaos,
tor-
nando-se euc i tados e l o n i zados quariùo expostos à l u z s o l a r , tornada- se
uma
nuvem bem v i s í v e i do s o l o , d u r a n t e o c r e p ü s c u i o . Uma nuvem n e u t r a também é
c r i a d a no processo. C nioviments d e s t a e s t a r e l a c i o n a d o com o v e n t o
P
local,
ao passo que o deslocamento da porqão i o n i z a d a se deve aos campos
elétri-
c o s . Cma 5 è r i e de f o t o g r a f i a s tomadas do s o l o , em v á r i o s ângulos,
permite
a determinaçãc dos v e t o r i s v e l o c i d a d e de d e r i v a e v e n t o .
4.2. Provas eis potencial
0utr.i
t é c n i c a , p a r a a medida de campos e l é t r i c o s
de sensores e s p e c i a i s acoplados a ve;culos
mente
á
espaciais,
in s i t u , f a z
que medem
uso
direta-
d i f e r e n ç a de p o t e n c i a l e n t r e d o i s sensores e s f é r i c o s separùdcs p o r
a l g u n s rcetros de d i s t â n c i a . Os sensores são p r o j e t a d o s p a r a possuirem exatameqte as viesmas c a r a c t e r í s t i c a s g e o m é t r i c a s e e l é t r i c a s , de t a l modo que
se a n u l e a ~eitcrSa+iio
no
c r i a d a p e l o s sensores p o r sua presença
Assim, a d i f e r e n ç a de p o t e ~ c i a l medida
plasma.
deverá s e r a mesma do plasma não-
- p e r t t ~ r b d d o . Essa t e c n i c a f o i m u i t o usada nas r e g i õ e s de a l t a s
latitudes,
onde os câmpos e l é t r i c o s são mais i r r e g u l a r e s que o s de l a t i t u d e s médias e
bem mais i r t e n ~ o s ' ~ " ~ .
4.3. Propegsçiis de baixa freqidncia
Os m v i m e r t t o s p e r p e n d i c u l a r e s às 1 irihas magnet i c a s ,
a
graodes
d i s t á n c i a s da s u p e r f í c i e da T e r r a , na plasmaesfera, podem s e r deduzidos
p a r t ii aos a s s o b i o s ( " w h i s t l e r s " )
.
Estes são s i n a i s
eletromagnêticos
a
de
b a i x a f requênc i a (aud i o } , o r i g i n a d o s nas descargas e l é t r i c a s n a t u r a i s ( r e iâmpagos) e que podem propagar- se ao l o n g o das l inhas do campo geomagnêtic c . 3s "wb i s t l e r s " foram i n i c i a l m e n t e usados para d e t e r m i n a r densidades eletrônica.
na magnetosfera, mas podem s e r usados também para
movin~entor a d i a l dos duto;
determinar o
de í o n í z a ç ã o , que r e p r e s e n t a a componente l e s t e
- o e s t e do campo e l é t r i c o . As medidas, em g e r a l , se s i t u a m e n t r e
3 , 5 e 5,5
r a i o s t e r r e s t r e s , no p l a n o e q u a t o r i a l . Os r e s u l t a d o s a s s i m ~ h t i d o s ' ~ ,po-
dem ser mapeados para a i o n o s f e r a e, p o r t a n t o , podem ser comparadoscomresul tados de o u t r a s t é c n i c a s .
4.4. Espalhamento incoerente
Os radares de espalhamento incoerente, em g e r a l , são capazes
de
medir v á r i o s parâmetros i o n o s f é r i c o s simultaneamente, e n t r e os quais a vel o c i d a d e dos íons
a t r a v é s do d e s v i o Doppler no espectro de frequéncia. Sua
vantagem p r i n c i p a l , com r e l a ç ã o às o u t r a s técnicas, é que, em p r i n c i p i o ,
pode f a z e r medidas i n i n t e r r u p t a s , no mesmo l o c a l e em v á r i a s a l t i t u d e s . Ent r e as desvantagens e s t ã o seu a1 t o c u s t o de construção e operação, o que,
z
provavelmente, expl i c a o pequeno nümero de radares e x i s t e n t e s 0 .
Em condições de b a i x a a t i v i d a d e magnética, os
campos
elétricos
i o n o s f é r i c o s são da ordem de 1 mv/m em l a t i t u d e s médias, um pouco
em l a t i t u d e s baixas, e bem elevados em l a t i t u d e s a l t a s , onde são
maiores
frequen-
t e s magnitudes de 50 a 100 mv/m. Em condições de elevada a t i v i d a d e
magné-
t i c a , em todas as l a t i t u d e s , suas variações temporais mudam c o n s i d e r a v e l mente.
Os campos e l é t r i c o s , associados
ã região
E, dominam as variações
temporais durante o d i a , em l a t i t u d e s médias. Durante a noite, a p o s s i b i i i dade de formação de campos e l é t r i c o s na r e g i ã o F e s t á
sendo
investigada.
Os campos e l 6 t r i c o s m a g n e s t o s f ~ r i c o sdominam as regiões de l a t i t u d e s a l t a s ,
chegando a l a t i t u d e s r e l a t i v a m e n t e baixas, durante a t i v i d a d e . magnética e-
1evada.
Ent:re os v á r i o s e f e i t o s causados por campos e l é t r i c o s
destacam-
-se: a formação da camada E esporádica, a formação dos e l e t r o j a t o s ,
modificação na a l t u r a do p i c o da r e g i ã o P.
e
a
I. Spreiter,J.R.
and B.R.
Briggs,ltheory o f electrostatic f i e l d s
in
the
1
ionosphere a t p o l a r and m i d d l e geomagnetic l a t i t u d e s : J . Geophys.
Res.,
6 6 , 1731-1744 ( 1 9 6 1 ) .
nieasurements
and R . s e r 1 i n : ' Magnetospheric e l e c t r i c f i e l d
2. Mozer, F.S.
wi t h b a l loonsl: J. Geophys. Res.,
74, 4739-3754 ( 1 9 6 9 ) .
3 . M o z e r , F . S . , " ~ l e c t r i c f i e l d rnapping i n t h e ionosphere a t t h e e q u a t o r i a l
~ 1 a n e t l . ISpace Sci . , 1 8 , 259-263 (1 970).
plane,
4. Maeda,H.,"World-wide
pattern o f ionization d r i f t s i n
L - r e g i o n as deduced f r o m geomagnetic variation;:
1962, I n s t . Phys. and Phys. Soc. London,
the
ionospheric
Proc. Conf.
lonosphere
187-190 (1963).
5. M a t s u s h i t a , ~ . " l n t e r a c t i o n s between t h e ionosphere and t h e magnetosphere for S
4
and L v a r i a t i o n s ' : Radio S c i . ,
6. Stening,R.J.:'The
Sci.,
21, 1897-'910
6 , 279-294
(1971).
e l e c t r o s t a t i c f i e l d i n t h e ionospher&: P l a n e t . Space
(1973).
7 . R i s h b e t h , H. ,"The F - l a y e r dynamol: P l a n e t . Space Sci
8. A x f o r d , W . i .
.,
23, 263-267(1971).
and C . O . H i n e s , " ~ u n i f y i n g t h e o r y o f h i g h l a t i t u d e
s i c a l phenomena and yeomagnetic stormsl:
Can . J .Phys.,
geophy-
39, 1433-1464 (1961 ).
9. Axford,W. I . "Magnetospheric c o n v e c t i o d : Rev. Geophys.,
7,
421
-
459
,
(1969).
II
10. Rees,D.,
E.B.Dorling,K.H.
L l o y d and C.Low,
The r o l e o f
neutra1
and i o n o s p h e r i c e l e c t r i c f i e l d s i n f o r m i n g s t a b l e s p o r a d i c ~ - 1 a ~ e r ; :
n e t .Space Sci . , 24, 475-478
winds
Pla-
(1 976).
1 i . Whi tehead,J.D. , I ' ~ h e f o r m a t i o n o f t h e s p o r a d i c E - l a y e r i n t h e temperate
zones:' J.Atmosph.
T e r r . Phys
12. Kirchhoff,V.W.J.H.
,
20, 49-58 (1961).
and P.P.
~ a t i s t a , ~ ' ~ a l c u l a t i oo fn t h e v e r t i c a l d r i f t
o f t h e sodium ion:' INPE-994-NT1/08?,
13. Carpenter,L.A.
and V.W.J.H.
1977.
Kirchhoff,"Daytime
a t Mi 1 l storie Hi l l ~ b s e r v a t o r ~R.Science,
14. Haerendel,G.,
three dimensional d r i f t s
9, 21 7-222 (1974).
R.Luest and E . ~ i e ~ e r , " ~ o t i oo nf a r t i f i c i a l
íon clouds i n
t h e upper atmospherel: P l a n e r . Space Sci . , 1 5 , 1-18 (1967).
15. Mozer,F.S.
and P . ~ u c h t , l l ~ haverage
e
a u r o r a 1 zone e l e c t r i c f i e l d y
Geophys. Res.,
79,
16. Heppner, J.P.:'
surements:'
1001-1006 ( 1 9 7 4 ) .
E l e c t r i c f i e l d v a r i a t i o r i s d u r i n g substorms: OGO-6
Plar1et.Space Sci
17- Carpenter,D.L.
J.
.,
20,
mea-
1475-1498 (1972).
and N . T . S e e l y , l i ~ r o s s - L plasma d r i f t s i n t h e o u t e r p i a s -
masphere; q u i e t t i m e p a t t e r n s and some substorm e f f e c t s y J. Geopbys. Res.,
81, 2728-2736
(1 976)
18. Evans,J.V.:'
a t irli l l s t o n e H i
.
heasurements o f h o r i z o n t a l d r i f t s i n t h e E and
I!:
J.Geophys.
19. Kirchhoff,V.W..!.H.
Res.,
F
regions
77, 2341-2352 (1912).
and L . A . C a r p e n t e r , I 1 ~ h e day- to- day v a r i a b i 1 i t y
II
i o n o s p h e r i c e l e c t r i c f i e l d s and c u r r e n t s , J . Geophys. Res.,
in
81, 2737-2:112,
(1976).
20. K i r c h h ~ f f , V . W . J . H . , ~ I ~ r i n c i ~ i o
b ãs s i c o s em espalhamentos
incoerente
e
1
-
sua c o n t r i b u i ç ã o p a r a o ~ s t u d oda f í s i c a da a t m o s f e r a su p erior :
PE/O84,
21
.
INPE- 1 1 1
1977.
Ratc l i f fe ,J .A.,
i n An introduction t o t h e ionosphere and magretosphere,
Cambridge U n i v e r s i t y Press, 1972.