Efeito das Bolhas Ionosféricas nas Telecomunicações

13º SEMINÁRIO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA E PRÊMIO
VASCONCELOS TORRES.
PROJETO DE PESQUISA
Autores: Fábio José Barroso da Fonseca e Christiano Freitas de Souza (colaborador)
Curso: Engenharia de Telecomunicações
Orientador: Prof. Altair Souza de Assis
Instituto de Matemática - Departamento de Matemática Aplicada
Título: Efeito das Bolhas Ionosféricas nas Telecomunicações
Período: 2º semestre de 2003
1 - INTRODUÇÃO
O presente trabalho visa esclarecer os problemas
encontrados nos serviços de telecomunicações via satélite que
são ocasionados pelas recém descobertas bolhas ionosféricas e
apresentar as possíveis soluções de melhoria em tais serviços
diante de tal fenômeno espacial.
Um dos primeiros cientistas a descrever o fenômeno foi
José Humberto Sobral, do Instituto Nacional de Pesquisas
Espaciais (Inpe), no final da década de 70. O Inpe, através de seu
grupo de ionosfera, vem realizando, em colaboração com o
Centro Tecnológico da Aeronáutica (CTA), uma campanha
experimental para o estudo do fenômeno, que ocorre na
ionosfera, denominado de “bolhas ionosféricas” ou “bolhas de
plasma”. Segundo seus estudos, as bolhas são regiões onde ocorre grande rarefação do plasma ionosférico, o
que provoca a interferência nos sinais dos satélites de telecomunicações, sendo uma anomalia típica da região
tropical e mais forte sobre a região brasileira.
As bolhas ionosféricas são invisíveis a olho nu e exigem equipamentos
óticos especiais para serem vistas. Divulgação/Inpe
Os efeitos das bolhas pode causar o mau funcionamento de equipamentos que se utilizam de satélites,
como antenas parabólicas de uso doméstico, telefonia celular, rastreio de frotas, aparatos militares de defesa
(como radares espaciais), rádios, transmissão de dados por redes de computadores e operações com aparelhos
de Posicionamento Global por Satélite (GPS), como em sistemas de navegação aérea e marítima. No caso
dos telefones, a interferência pode ser percebida pela ausência de sinal ou por ruídos intensos. No caso da
televisão, um resultado típico de tal interferência é o aparecimento de pontos escuros e luminosos na tela. Já
no GPS pode provocar erros de posicionamento graves, podendo também sofrer ausências, variando desde
minutos até várias horas.
Buscando uma melhor compreensão do problema, serão abordados neste trabalho sistemas que
utilizam satélites, conceitos fundamentais de física dos plasmas, ionosfera, mecanismos de formação das
bolhas, propagação de ondas eletromagnéticas no plasma ionosférico, ação das bolhas em tais ondas e
medidas possíveis de prevenção aos danos por elas causados.
2 - COMUNICAÇÃO VIA SATÉLITE: APLICAÇÕES
As aplicações onde as comunicações via satélites mais indicadas são aquelas em que:



Deseja-se espalhar a mesma informação, no link de descida, por uma região geográfica muito extensa
como, por exemplo, para a TV e a Internet.
Deseja-se atingir localidades remotas como, por exemplo, campos de mineração, madeireiras,
propriedades rurais e suburbanas e postos em rodovias.
Deseja-se que o tempo de implantação seja muito rápido, ou de uso ocasional, como, por exemplo,
para shows, rodeios, corridas de automóvel.
O SISTEMA GPS - Global Positioning System (Sistema de Posicionamento Global)
Os principais objetivos do GPS são:
a) auxílio à radionavegação em três dimensões com elevada precisão nos cálculos de posição, mesmo
com usuários sujeitos a altas dinâmicas;
b) navegação em tempo real;
c) alta imunidade a interferências;
d) cobertura global, 24 horas por dia;
e) rápida obtenção das informações transmitidas pelos satélites.
A mensagem transmitida por cada satélite ao usuário contém:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
parâmetros para correção do relógio do satélite
efemérides do satélite
almanaque e "saúde" de todos os satélites
dados para correção da propagação ionosférica
parâmetros para correções orbitais
código de identificação
As principais fontes de erro do GPS são as seguintes:
a) erro devido à geometria dos satélites
com relação ao observador;
b) desvios dos relógios dos satélites;
c) atraso de propagação e
processamento dos sinais pelos
circuitos dos satélites;
d) erros devido a trajetórias múltiplas
dos sinais;
e) efeitos da atmosfera sobre a
velocidade e a trajetória de
propagação dos sinais transmitidos;
f) erros devidos à resolução e ruído do
receptor do usuário;
g) erro na determinação da posição dos
satélites (erro de efeméride).
Os satélites GPS estão submetidos às seguintes perturbações: potencial terrestre, atração lunissolar e
pressão de radiação solar (incluindo os efeitos da sombra da Terra). Devido à comensurabilidade do período
do satélite com o período de rotação da Terra, uma perturbação adicional (ressonância) aparece.
Para se conseguir a precisão necessária para algumas aplicações específicas, todas essas perturbações
devem ser consideradas simultaneamente.
3 - FÍSICA DOS PLASMAS
Para compreendermos melhor os efeitos das bolhas é de grande importância o estudo dos conceitos
fundamentais de física dos plasmas.
O Plasma é definido como um conjunto quase-neutro de partículas carregadas, ou seja elétrons e
íons, e partículas neutras, que exibe um comportamento coletivo.
Uma propriedade fundamental do plasma é sua habilidade de blindar qualquer potencial elétrico
detectado dentro dele. Este fenômeno, conhecido como Blindagem de Debye, impede a ocorrência de um
campo elétrico estatisticamente no interior do plasma.
Caso seja colocado um eletrodo esférico carregado dentro de um plasma. Este eletrodo vai atrair
partículas de carga contrária, criando assim uma região de carga espacial que anulará quase totalmente o seu
potencial. A espessura radial desta região de carga está relacionado com o Comprimento de Debye (λD), que
foi deduzido por Debye e Hückel e é expresso por:
 KT 
D  
2 
 4ne 
1
2
onde K é a constante de Boltzmann, T é a temperatura, n a densidade de partículas e e a carga do elétron. O
plasma atende conceito de quase-neutralidade porque apresenta o comprimento de Debye muito menor que
um valor L característico.
No plasma a concentração de partículas carregadas determina que o efeito total das forças
eletromagnéticas ocasionadas por partículas próximas seja pequeno em relação ao efeito total das forças
exercidas por muitas partículas distantes. Assim o plasma atende a definição de comportamento coletivo,
pois os movimentos dependem não apenas de condições locais, mas também do estado do plasma em regiões
remotas.
Os plasmas podem ser descritos por modelos de partículas, fluidos e pelo modelo cinético que é o
mais sofisticado de todos.
Para a descrição microscópica é utilizada a função de distribuição (Maxwelliana), que é uma forma
estatística de se descrever de um plasma em equilíbrio termodinâmico. Ela fornece a probabilidade de se
encontrar uma partícula com velocidade v.
3
 1
 m  2   2 mv
f (v)  n
 e
 2KT 
2

KT 

onde n é a densidade média de partículas no espaço de configuração, m a massa de uma partícula, T a
temperatura do plasma, v a velocidade e K a constante de Boltzmann.
Uma descrição macroscópica de um plasma, utilizando o modelo de fluidos, é obtida com o cálculo
de valores médios de propriedades relacionadas à função de distribuição.
Densidade:
na   f a d v
Velocidade Média:
va   v fa dv
Tensor de Pressão:
Pa 
na
ma
na
 v  v
a
v  v  f d v
a
a
Define-se o parâmetro de plasma (g) como o inverso do número de partículas carregadas do plasma
dentro de uma esfera de Debye, assim tem-se a expressão:
g
1
n3D
Sendo nD é o numero de partículas dentro da esfera de Debye. A descrição de um plasma só tem
significado estatístico quando esse número for grande, esta também é a condição que garante a existência de
comportamento coletivo.
3
Caso um elemento com cargas de um plasma em equilíbrio se desloque, a interação coletiva de
cargas próximas causa uma força restauradora proporcional ao deslocamento. O resultado é uma oscilação
cuja freqüência, denominada freqüência de plasma, é expressa por:
 4ne 2 

 P  
m


1
2
Para garantir a existência desta oscilação é necessário que o tempo de colisões entre a partícula
carregada e a neutra seja superior ao período de oscilação do plasma. Assim devemos ter uma densidade de
partículas neutras limitada para garantir que estas colisões sejam infrequentes.
Pode-se considerar como plasma ideal um plasma que possua g  0 e 
representa o tempo de colisões entre a partícula carregada e a partícula neutra no plasma.
,
onde

4 - A IONOSFERA
A atmosfera terrestre é dividida em regiões denominadas de troposfera (do solo até aproximadamente
10 km de altura), estratosfera (entre 10 e 50 km), mesosfera (entre 50 e 80 km) e termosfera (acima de 80
km). Junto com a termosfera, fica a ionosfera, um plasma formado por íons positivos e elétrons livres que
atinge densidade máxima a uma altura de 300 km a partir da Terra.
A ionosfera foi conhecida durante muitos anos pela sua capacidade de conduzir as ondas de rádio de
alta freqüência a longas distâncias. As ondas curtas de rádio são um exemplo desse tipo de transmissão. Foi a
partir dos anos 60 que surgiram os primeiros satélites artificiais de telecomunicação que tornaram mais
eficiente a emissão e recepção das ondas de rádio.
As comunicações via satélite passaram a ser feitas em freqüências elevadas e não deveriam ter
interferência ionosférica. Mas, foi então que no início dos anos 70, os técnicos registraram interferências
ionosféricas fortes na região equatorial. Foi a maior surpresa da década no campo dos estudos de rádiopropagação.
As camadas ionosféricas se formam pela radiação solar nas faixas de raios-X e ultravioleta, pela
radiação cósmica, e pelas interações químicas e dinâmicas entre o plasma e a atmosfera neutra. Na região
tropical, caracterizada pela orientação horizontal do campo geomagnético e onde se absorve a maior fração
da radiação solar que atinge a Terra, a ionosfera apresenta características distintas das outras regiões. A
ionosfera tropical, que abrange a maior parte do território brasileiro, apresenta características peculiares, no
que diz respeito ao acoplamento eletrodinâmico do sistema ionosfera-termosfera, dando origem a importantes
fenômenos geofísicos peculiares a esta região tais como o sistema de corrente eletrojato equatorial, as
irregularidades de bolhas de plasma e as anomalias nas distribuições espaciais das densidades e temperaturas
dos íons e elétrons e nos ventos termosféricos.
O limite inferior da ionosfera terrestre, em torno de 60 quilômetros, coincide com a região onde a
ionização é produzida pelas radiações mais penetrantes, geralmente raios cósmicos. O limite superior pode
ser definido pela interação do vento solar com o campo magnético planetário.
Durante o dia, a atmosfera eletricamente neutra da Terra, composta sobretudo por oxigênio e
nitrogênio, é bombardeada por raios ultravioleta vindos do Sol. Esses raios, por ação fotoelétrica, geram os
elétrons e íons que formam a ionosfera terrestre. Durante o dia a ionosfera é mais densa, ou seja, tem mais
elétrons e íons livres devido à presença da radiação solar. No entanto, após o pôr-do-sol, inicia-se um
processo de recombinação entre esses elementos e a ionosfera começa a se elevar rapidamente e a
desaparecer para formar as bolhas ionosféricas, que são perturbações da ionosfera terrestre que podem causar
fortíssimas interferências nas ondas de rádio que as transpassem. Elas se consistem em enormes regiões de
alto grau de rarefação do plasma ionosférico, estendendo-se ao longo das linhas de força do campo
geomagnético por milhares de quilômetros.
Outros fenômenos atmosféricos que tem fortes conseqüências sobre o território brasileiro são:
O eletrojato equatorial - consiste numa corrente elétrica que circula ao longo do equador magnético
terrestre, a uma altitude de aproximadamente 110 km, numa faixa de aproximadamente 60 km de largura
centrado entorno dele, a qual atravessa o Brasil em direção aproximadamente leste-oeste. Esse equador é
definido como uma linha imaginária que circula a Terra na região equatorial passando pelos pontos onde a
linha de força do campo geomagnético torna-se horizontal. Ele não coincide com o equador geográfico,
porém circula o globo terrestre próximo a ele. A importância do eletrojato equatorial é que nele se origina o
sistema de forças elétricas que regem a distribuição do plasma ionosférico em baixas latitudes, e assim influi
nas características da radiopropagação. Atualmente, o eletrojato passa pela cidade de São Luís, no estado do
Maranhão.
A anomalia equatorial ou anomalia Appleton - consiste em duas faixas de alta densidade do
plasma ionosférico localizadas nas regiões tropicais que circulam paralelamente ao equador magnético. Nas
faixas da anomalia que se localizam no território brasileiro as densidades da ionosfera atingem valores
maiores que em outras regiões da Terra. O campo elétrico do dínamo ionosférico, que controla o eletrojato, é
o responsável pela formação da desta anomalia ionosférica, caracterizada pela ocorrência de dois picos na
densidade de plasma, localizados em baixas latitudes. A anomalia ocorre tanto durante o dia quanto à noite.
Tal fato desempenha importante influência nos enlaces de telecomunicações terrestres e espaciais.
A anomalia geomagnética brasileira – localiza-se sobre o continente latino americano, onde a
intensidade do campo magnético terrestre, ou campo geomagnético, é mais fraca que em qualquer outra parte
do globo terrestre. Tal propriedade se deve à excentricidade do eixo do dipolo magnético terrestre. Nessa
região ocorrem fortes precipitações de partículas (prótons e elétrons) oriundos do cinturão de radiação de
Van Allen.
A região equatorial brasileira possui um máximo no valor da declinação magnética, o qual acarreta
que o comportamento sazonal das anomalias e das ocorrências das bolhas apresente, no setor brasileiro,
características bem distintas daquelas encontradas em outros setores longitudinais da Terra. O estudo deste
problema poderá fornecer informações valiosas, especialmente na procura das condições ambientais
ionosféricas que conduzem ao desenvolvimento dos processos de instabilidade de bolhas de plasma.
Os estudos realizados são baseados em dados experimentais dos parâmetros ionosféricos obtidos em
diversos locais no território brasileiro e em sua utilização no desenvolvimento de modelos teóricos e
computacionais dos processos ionosféricos.
Para o melhor entendimento da ionosfera é importante conhecer a sua interação com a magnetosfera
terrestre. O campo magnético terrestre, devido à interação com o vento solar, sofre uma considerável
distorção e forma uma cavidade magnética chamada magnetosfera terrestre, que determina o comportamento
das partículas eletricamente carregadas no espaço próximo ao planeta e protege-o do vento solar. Seu limite
externo está situado a cerca de dez raios terrestres na direção do Sol, mas pode ultrapassar 500 raios terrestres
e se estender até além da Lua na direção oposta à do Sol.
O impacto do vento solar sobre a magnetosfera é responsável por sua 'cauda'
Imagens colorizadas do plasma no interior do campo magnético terrestre (imagens: Nasa)
5 - A FORMAÇÃO DAS BOLHAS
As bolhas ionosféricas explicam a maioria das falhas na transmissão de ondas eletromagnéticas
usadas nas telecomunicações via satélite. As bolhas ganharam o nome de ionosféricas pela área espacial de
ocorrência, a ionosfera.
O aparecimento das bolhas segue um determinado padrão regido pela atividade solar. Um novo
exemplar surge a cada 90 minutos, mas isso muda com o aumento das explosões no Sol. A máxima solar
altera o tamanho, o número e o período de ocorrência da bolha. Essa máxima atividade ocorre de onze em
onze anos, sendo que a ultima foi no ano de 2001. A formação das bolhas tem início em outubro e segue até
março, mas seu pico ocorre nos meses de dezembro e janeiro, sendo praticamente inexistente entre abril e
setembro. Ela se dá apenas no período noturno, formando-se após o pôr-do-sol e atuando até as 2 horas. Mas
na máxima solar seus períodos de duração seguem até as 5 horas.
As bolhas situam-se entre os Trópicos de Câncer e de Capricórnio, podendo alcançar 10 mil
quilômetros de comprimento na direção das linhas do campo magnético por 150 a 300 quilômetros de
largura. Elas formam uma altura de aproximadamente 250 km e migram para o leste ao mesmo tempo em
que se elevam, podendo atingir uma altura máxima superior a 1500 km na região do equador.
Ilustração do movimento das bolhas ionosféricas sobre a região brasileira. A metade mais clara do
globo terrestre na ilustração representa o dia e a parte mais escura representa a noite. Observe que as
bolhas se deslocam para leste, acompanhando o equador magnético terrestre. Elas se formam logo
após o pôr do sol e aumentam de tamanho, à medida que se deslocam para leste, tomando dimensões
transequatoriais. Elas ocorrem apenas no setor noturno. As extremidades das bolhas encontram-se em
pontos geomagneticamente conjugados, os quais estão localizados em pontos aproximadamente
simétricos em relação ao equador geomagnético. (Fonte: Inpe)
A partir de 1984, a Divisão de Aeronomia do INPE desenvolveu cerca de 11 cargas úteis para
foguetes nacionais e estrangeiros para experimentos inosféricos, em colaboração com o Centro Técnico
Aeroespacial (CTA). Em três desses experimentos, os foguetes passaram por dentro das bolhas e mediram
seus campos elétricos e sua composição de elétrons.
Como a descoberta do fenômeno das bolhas é recente e requer maiores estudos, as causas que
originam essa deformação atmosférica ainda são desconhecidas. Uma das teorias mais aceitas é que
perturbações na baixa atmosfera produzam as bolhas.
Bolhas Ionosféricas sobre a região de Cachoeira Paulista, em março de
1999. Elas aparecem como estrias escuras dispostas verticalmente.
Bolha de plasma detectada em São João do Cariri no dia 18 de
novembro de 2000 através de imagens da luminescência atmosférica.
6 - PROPAGAÇÃO DE ONDAS ELETROMAGNÉTICAS NO PLASMA
IONOSFÉRICO.
O estudo da propagação de ondas no plasma tem muitas aplicações nas áreas da física espacial.
Especialmente para as telecomunicações via ionosfera é essencial o conhecimento das propriedades de
transmissão e reflexão de ondas no plasma.
As ondas eletromagnéticas propagantes no plasma não magnetizado (B0 = 0) apresentam a seguinte
configuração:
E X  E X e i ( kz  wt )
EY  EY e i ( kz  wt )
EZ  0
Apresentando a relação de dispersão:
 2   P2  c 2 K 2
Percebemos que esta relação é diferente da relação do vácuo, onde temos:
 2  c2K 2
onde c é a velocidade de fase da luz (  /k).
Assim vemos que na propagação em plasma é acrescentado o termo  P2 (freqüência de oscilação do
plasma).
A velocidade de fase da onda no plasma é maior que a velocidade da luz, pois:
ω2
 2
v  2  c 2  P2  c 2
k
k
2
Porém, a velocidade de grupo não excede a velocidade da luz:
vg 
d 1 2
  p  c2k 2
dk 2

vg 

1
2
c2
(2c 2 k ) 
1
 2  2p  2
c 

2 

k


c2
c
v
Podemos reescrever a relação de dispersão:
2
2

 2p
2

c2k 2
2

c 2k 2
2
 1
 2p
2
Mostrando que as ondas só podem propagar no plasma se ω> ωp, ou seja, ωp passa a ser uma
seqüência de corte.
Quando ω ≤ ωp, a onda eletromagnética é refletida. Esse fenômeno é utilizado para telecomunicações
via reflexão ionosférica.
O estudo da propagação de ondas de alta freqüência na ionosfera baseia-se na teoria magnetoiônica,
na qual se destaca historicamente o nome de E.V.Appleton no desenvolvimento da equação de dispersão
fundamental.
Existem inúmeros métodos para realizar medidas de propriedades ionosféricas através dos efeitos que
atingem as ondas propagantes nesta camada. Alguns se baseiam em experimentos de rádio-propagação com
aparelhagem no solo, outros envolvem propagação de ondas entre o solo e foguetes ou satélites. Os principais
métodos são:
Sondagem ionosférica: são emitidos verticalmente pulsos de ondas de rádio, com uma faixa de
freqüência continua entre 1 e 25 MHz, durante aproximadamente 15 segundos. A seguir mede-se o intervalo
de tempo decorrido entre a transmissão e a recepção da onda refletida na ionosfera para cada freqüência da
faixa.
Radar de espalhamento incoerente: ondas de radar com alta freqüência e elevada potência sofrem
espalhamento incoerente na presença de elétrons individuais da ionosfera, assim é possível determinar perfis
verticais de densidade e temperatura de elétrons e íons, velocidade de deriva verticais e horizontais do
plasma, alem de medir indiretamente outras propriedades como velocidade de ventos neutros na ionosfera.
Reflexão parcial: envolve a reflexão parcial de ondas de rádio de freqüência média (poucos MHZ)
por pequenas descontinuidades ou não homogeneidades no índice de refração da ionosfera. O método
depende fortemente do perfil da freqüência de colisões o qual deve ser suposto conhecido, a fim de deduzir a
densidade eletrônica a partir dos dados.
Rotação Faraday: uma onda linearmente polarizada, emitida por um satélite, tem o seu plano de
polarização girado à medida que ele atravessa o plasma anisotrópico da ionosfera. As mudanças no plano de
polarização da onda são recebidas no solo e permitem determinar a integral da densidade eletrônica ao longo
do trajeto da onda.
Efeito Doppler Diferencial: uma onda emitida por um veículo espacial é observada do solo, e a
mudança na freqüência, devida ao efeito Doppler associado ao movimento do veículo na linha de visada, é
medida. A presença da ionosfera diminui ligeiramente o caminho "ótico", alterando a fase na freqüência mais
baixa.
Utilizando métodos de determinação de efeitos semelhantes a estes é possível constatar que o espectro
de freqüência de ondas eletromagnéticas com maior probabilidade de sofrer efeitos de bolhas ionosféricas
encontra-se na faixa de alta freqüência, até 6 GHZ . Estes efeitos são determinados pela não homogeneidade
da ionosfera devido a bolha e suas principais alterações no sinal propagante são: dispersão do sinal, redução
da potência da onda, distorção de fase, distorção de amplitude, mudanças na trajetória e mudanças na
polarização.
7 - CONCLUSÃO
O estudo das bolhas ionosféricas é de fundamental importância para o entendimento de possíveis
problemas nos sistemas de telecomunicação via satélite. Entender o fenômeno pode fazer com que não se
perca tempo buscando falhas técnicas nos equipamentos e ainda permite que possamos reavaliar os projetos
de tais serviços para que estes se tornem mais confiáveis e eficientes. A solução seria dispor de softwares de
correção de sinais recebidos nas bases terrenas e aumentar a potência do sinal para tentar compensar as
perdas detectadas. No entanto, a maioria das empresas ainda não sabe identificar a ação das bolhas em seus
sistemas, assim não estão preparadas para efetuar as correções nas informações recebidas. É necessário se
adequar a essa situação para poder superar as deficiências causadas pelo fenômeno.
Pesquisas neste sentido ainda são recentes, mas vem merecendo destaque nos centros de pesquisa em
todo o mundo, principalmente no Brasil, por ser o país que sofre a maior influência das bolhas, nos levando,
portanto ao tema de nosso trabalho.
8 - REFERÊNCIAS
1. ASSIS, Altair Souza de. Tese de Mestrado: Aquecimento do Plasma com as Ondas de Alfvén
Cinéticas. Niterói: UFF/Instituto de Física, 1983.
2. CHEN, Francis F. Introduction to Plasma Physics. New York: Plenum Press, 1977.
3. NASA Home Page. Disponível em http://www.nasa.gov
4. INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS. Disponível em http://www.inpe.br