PROPAGAÇÃO E ONDAS

Acção de Formação de Radiocomunicações

Prof. José Sá (CT1EEB)(Docente do programa Aveiro-Norte da Universidade de Aveiro)

Prof. Teresa Ferrinho (CT2JQI)(Docente de Ciências Físico-Químicas)

Abril de 2011

1. Sol1. Sol

•• Estrela do nosso Sistema Solar.Estrela do nosso Sistema Solar.

•• Formado essencialmente por gFormado essencialmente por gáás hidrogs hidrogéénio na forma de plasma nio na forma de plasma (g(gáás muito aquecido e altamente ionizado).s muito aquecido e altamente ionizado).

•• Não Não éé um corpo rum corpo ríígido, isto gido, isto éé, tem uma rota, tem uma rotaçção diferenciada em ão diferenciada em funfunçção da latitude: ão da latitude:

-- na região equatorial (maior latitude) uma volta completa na região equatorial (maior latitude) uma volta completa demora cerca de 26 dias;demora cerca de 26 dias;

-- nos pnos póólos a rotalos a rotaçção pode chegar aos 30 dias.ão pode chegar aos 30 dias.

2. Manchas solares2. Manchas solares

•• São conhecidas desde a antiguidade, mas a sua origem foi São conhecidas desde a antiguidade, mas a sua origem foi erradamente atribuerradamente atribuíída:da:

-- a nuvens;a nuvens;-- a pequenos planetas pra pequenos planetas próóximos do Sol;ximos do Sol;-- a montanhas na sua superfa montanhas na sua superfíície. cie.

•• SabeSabe--se hoje que estão intimamente relacionadas com o se hoje que estão intimamente relacionadas com o campo magncampo magnéético do Sol, que varia entre 1 gauss (1 Gs = tico do Sol, que varia entre 1 gauss (1 Gs = 1010--44 T) e os milhares de gauss perto das manchas.T) e os milhares de gauss perto das manchas.

3. Forma3. Formaçção das manchas solaresão das manchas solares

•• Dada a rotaDada a rotaçção diferenciada do Sol, em cada volta que este ão diferenciada do Sol, em cada volta que este astro efectua as linhas de campo juntamastro efectua as linhas de campo juntam--se cada vez mais, se cada vez mais, arrastando consigo o plasma. arrastando consigo o plasma.

•• Quanto mais as linhas de campo são empurradas umas contra as Quanto mais as linhas de campo são empurradas umas contra as outras, maior outras, maior éé a fora forçça exercida entre elas para se separarem de novo (a exercida entre elas para se separarem de novo (ààsemelhansemelhançça do que acontece com 2 a do que acontece com 2 íímanes de polaridades iguais) e manes de polaridades iguais) e ocorre, então, uma grande libertaocorre, então, uma grande libertaçção de energia e explosão de matão de energia e explosão de matééria ria da fotosfera (camada visda fotosfera (camada visíível do Sol) na direcvel do Sol) na direcçção das linhas de campo.ão das linhas de campo.

•• A temperatura mA temperatura méédia das manchas dia das manchas éé cerca de 4300 K (cerca de 4300 K (≈≈4027 4027 ººC); nas regiões sem manchas a temperatura ronda os C); nas regiões sem manchas a temperatura ronda os 6000 K (6000 K (≈≈ 5727 5727 ººC).C).

•• As manchas solares podem surgir isoladas ou em grupos.As manchas solares podem surgir isoladas ou em grupos.

•• Quando se trata de grupos, o campo magnQuando se trata de grupos, o campo magnéético tico éé muito mais intenso. muito mais intenso.

•• Os grupos de manchas solares surgem a cada 11 anos, perOs grupos de manchas solares surgem a cada 11 anos, perííodo este odo este chamado de ciclo solar. chamado de ciclo solar.

•• O tamanho das manchas solares O tamanho das manchas solares varia bastante e são, em geral, varia bastante e são, em geral, maiores que o nosso planeta.maiores que o nosso planeta.

•• A sua medida A sua medida éé feita em termos de milionfeita em termos de milionéésimos da simos da áárea visrea visíível do Sol:vel do Sol:

-- uma mancha uma mancha éé considerada grande quando mede entre 300 e 500 considerada grande quando mede entre 300 e 500 milionmilionéésimos do disco solar;simos do disco solar;-- a maior ja maior jáá registada foi em 1947, com 6132 milionregistada foi em 1947, com 6132 milionéésimos, quase uma simos, quase uma sséétima parte do disco solar.tima parte do disco solar.

•• Quanto maior for o nQuanto maior for o núúmero de manchas solares, mais intenso mero de manchas solares, mais intenso éé o o campo magncampo magnéético e maior tico e maior éé a possibilidade de ocorrerem alteraa possibilidade de ocorrerem alteraçções na ões na ionosfera terrestre, influenciando deste modo as comunicaionosfera terrestre, influenciando deste modo as comunicaçções de ões de longa distância aqui na Terra.longa distância aqui na Terra.

4. Importância das manchas solares4. Importância das manchas solares

• Os campos magnéticos que causam são muito intensos e suprimem as correntes de convecção.

• Tendem a aparecer em dois ciclos:

-- 27 dias (devido 27 dias (devido àà rotarotaçção do Sol, as manchas são visão do Sol, as manchas são visííveis em veis em intervalos de 27 dias, duraintervalos de 27 dias, duraçção do movimento de rotaão do movimento de rotaçção da nossa ão da nossa estrela; estas variaestrela; estas variaçções de ionizaões de ionizaçção são mais pronunciadas na ão são mais pronunciadas na camada F2, a mais externa.);camada F2, a mais externa.);-- 11 anos (ciclo regular da actividade solar; num per11 anos (ciclo regular da actividade solar; num perííodo de odo de mmááxima actividade, a absorxima actividade, a absorçção da camada D ão da camada D –– a mais interna a mais interna ––aumenta e as frequências craumenta e as frequências crííticas para as restantes camadas ticas para as restantes camadas éémaior; deste modo, as frequências mais altas devem ser usadas maior; deste modo, as frequências mais altas devem ser usadas para comunicapara comunicaçções a longa distância).ões a longa distância).

5. Tempestades solares5. Tempestades solares

•• No auge da actividade de uma mancha solar ocorre uma No auge da actividade de uma mancha solar ocorre uma rráápida e colossal explosão de matpida e colossal explosão de matééria coronal chamada ria coronal chamada labareda solar, ou labareda solar, ou solar flaresolar flare em inglês.em inglês.

•• Estas ejecEstas ejecçções de matões de matééria coronal, que originam grandes ria coronal, que originam grandes quantidades de UV de frequência alta e raiosquantidades de UV de frequência alta e raios--X, podem X, podem atingir a Terra: ao interagir com o campo magnatingir a Terra: ao interagir com o campo magnéético do tico do nosso planeta podem produzir auroras, perturbar nosso planeta podem produzir auroras, perturbar instrumentos de orientainstrumentos de orientaçção de satão de satéélites, interromper lites, interromper comunicacomunicaçções a longa distância e, mais importante, ões a longa distância e, mais importante, produzir uma forte ionizaproduzir uma forte ionizaçção da camada D da ionosfera ão da camada D da ionosfera resultando numa grande absorresultando numa grande absorçção para as ondas rão para as ondas ráádio.dio.

Solar flareSolar flare

Segredos do Sol: tempestades solaresSegredos do Sol: tempestades solares

6. Atmosfera terrestre6. Atmosfera terrestre

•• Ionosfera Ionosfera -- parte da atmosfera ionizada pela radiaparte da atmosfera ionizada pela radiaçção solar;ão solar;-- estendeestende--se desde os 50 km atse desde os 50 km atéé aos 500 km de aos 500 km de altitude;altitude;-- influencia a propagainfluencia a propagaçção radioelão radioelééctrica sobre a ctrica sobre a Terra;Terra;-- dividida em subcamadas (D dividida em subcamadas (D –– mais junto ao mais junto ao solo, E, F1 e F2);solo, E, F1 e F2);-- a ionizaa ionizaçção de cada subcamada depende da ão de cada subcamada depende da hora do dia, da estahora do dia, da estaçção do ano e das condião do ano e das condiçções ões solares.solares.

•• EstratosferaEstratosfera -- camada de ozono.camada de ozono.

•• TroposferaTroposfera -- fenfenóómenos atmosfmenos atmosfééricos;ricos;-- azoto (78%), oxigazoto (78%), oxigéénio (21%), outros gases em nio (21%), outros gases em pequenas proporpequenas proporçções.ões.

IonizaIonizaççãoão

•• Processo quProcesso quíímico segundo o qual se originam iões a partir de mico segundo o qual se originam iões a partir de áátomos ou tomos ou molmolééculas que perdem ou ganham electrões.culas que perdem ou ganham electrões.

•• O principal agente da ionizaO principal agente da ionizaçção na ionosfera ão na ionosfera éé o Sol, cuja radiao Sol, cuja radiaçção no espectro ão no espectro de UV e raiosde UV e raios--X origina uma grande quantidade de electrões livres nesta regiãoX origina uma grande quantidade de electrões livres nesta regiãoda atmosfera.da atmosfera.

•• Os electrões livres absorvem parte da energia UV que os libertouOs electrões livres absorvem parte da energia UV que os libertou dos dos áátomos ou tomos ou molmolééculas formando, deste modo, uma camada ionizada.culas formando, deste modo, uma camada ionizada.

•• Os raios UV de maior frequência e os raiosOs raios UV de maior frequência e os raios--X penetram mais fundo produzindo X penetram mais fundo produzindo camadas ionizadas na parte mais inferior da ionosfera (camada D)camadas ionizadas na parte mais inferior da ionosfera (camada D)..

•• Por outro lado, os raios UV de menor frequência penetram menos ePor outro lado, os raios UV de menor frequência penetram menos e produzem produzem camadas ionizadas nas regiões mais altas da ionosfera (camadas Ecamadas ionizadas nas regiões mais altas da ionosfera (camadas E e F). e F).

Camadas ionosfCamadas ionosfééricasricas

Camadas ionosfCamadas ionosfééricasricas

•• Camada D:Camada D: -- 50 km a 90 km;50 km a 90 km;-- éé a que absorve a maior quantidade de energia a que absorve a maior quantidade de energia electromagnelectromagnéética;tica;-- éé a camada com maior densidade atmosfa camada com maior densidade atmosféérica;rica;-- o seu comportamento o seu comportamento éé diurno e permanece apenas por diurno e permanece apenas por alguns instantes no inalguns instantes no iníício da noite;cio da noite;-- éé a responsa responsáável pela absorvel pela absorçção das ondas de rão das ondas de ráádio dio durante o dia devido durante o dia devido àà densidade de ionizadensidade de ionizaçção ser mais ão ser mais elevada;elevada;-- em condiem condiçções normais, a partir dos 3 MHz esta camada ões normais, a partir dos 3 MHz esta camada comecomeçça a perder gradualmente caractera a perder gradualmente caracteríísticas de sticas de absorabsorçção, embora estes efeitos sejam notados atão, embora estes efeitos sejam notados atéé aos 10 aos 10 MHz;MHz;-- sob a influência de tempestades solares esta frequência sob a influência de tempestades solares esta frequência crcríítica de absortica de absorçção pode sofrer um aumento significativo. ão pode sofrer um aumento significativo.

•• Camada E:Camada E: -- 90 km a 140 km;90 km a 140 km;

-- formaforma--se durante o dia e, se durante o dia e, àà semelhansemelhançça da camada D, a da camada D, dissipadissipa--se durante a noite;se durante a noite;

-- pode surgir e desaparecer de forma rpode surgir e desaparecer de forma ráápida durante o dia pida durante o dia ou noite, sob a forma de manchas irregulares com ou noite, sob a forma de manchas irregulares com ionizaionizaçção invulgarmente alta (Esporão invulgarmente alta (Esporáádica E);dica E);

-- em algumas ocasiões, dependendo das condiem algumas ocasiões, dependendo das condiçções do ões do vento solar e da energia absorvida durante o dia, esta vento solar e da energia absorvida durante o dia, esta camada pode permanecer esporadicamente camada pode permanecer esporadicamente àà noite; o noite; o alcance proporcionado atravalcance proporcionado atravéés da Espors da Esporáádica E excede, dica E excede, por vezes, os 1600 km, mas não por vezes, os 1600 km, mas não éé tão grande quanto o tão grande quanto o que ocorre na camada F;que ocorre na camada F;

-- éé tanto mais activa quanto mais perpendicularmente os tanto mais activa quanto mais perpendicularmente os raios solares sobre ela incidirem.raios solares sobre ela incidirem.

•• Camada F:Camada F: -- 140 km a 500 km;140 km a 500 km;

-- durante o dia separadurante o dia separa--se em duas camadas, F1 e F2;se em duas camadas, F1 e F2;

-- os os áátomos desta camada permanecem ionizados por um tomos desta camada permanecem ionizados por um longo perlongo perííodo apodo apóós o pôrs o pôr--dodo--sol, e durante um pico de sol, e durante um pico de actividade solar podem permanecer ionizados durante actividade solar podem permanecer ionizados durante toda a noite;toda a noite;

-- sendo a mais alta da ionosfera, permite grandes sendo a mais alta da ionosfera, permite grandes alcances: para ondas horizontais, o alcance obtido num alcances: para ondas horizontais, o alcance obtido num úúnico salto (HOP) pode ser de 5000 km; para sinais que nico salto (HOP) pode ser de 5000 km; para sinais que se propaguem a distâncias maiores, são necessse propaguem a distâncias maiores, são necessáários vrios váários rios saltos;saltos;

-- responsresponsáável pela maior parte das comunicavel pela maior parte das comunicaçções HF de ões HF de longa distância;longa distância;

-- num pico do ciclo solar pode reflectir sinais atnum pico do ciclo solar pode reflectir sinais atéé 100 100 MHz; durante o restante ciclo, a frequência mMHz; durante o restante ciclo, a frequência mááxima xima utilizutilizáável pode descer atvel pode descer atéé aos 10 MHz. aos 10 MHz.

•• Camada F1:Camada F1: -- 140 km a 200 km;140 km a 200 km;-- formaforma--se durante o dia, se durante o dia, àà semelhansemelhançça da camada E, a da camada E, podendo esporadicamente manterpodendo esporadicamente manter--se em perse em perííodos odos nocturnos;nocturnos;-- reflecte essencialmente determinadas frequências, reflecte essencialmente determinadas frequências, conforme a espessura que adquire ao receber energia conforme a espessura que adquire ao receber energia solar;solar;-- o seu maior efeito o seu maior efeito éé a absora absorçção de algumas ondas HF, ão de algumas ondas HF, embora outras passem para a camada F2 sofrendo, deste embora outras passem para a camada F2 sofrendo, deste modo, uma refracmodo, uma refracçção;ão;

•• Camada F2:Camada F2: -- 200 km a 500 km;200 km a 500 km;-- a altitude e a densidade variam com a hora do dia, a a altitude e a densidade variam com a hora do dia, a estaestaçção do ano e a actividade solar;ão do ano e a actividade solar;-- permite comunicapermite comunicaçções HF a longa distância: a refracões HF a longa distância: a refracçção ão nesta camada pode gerar o aparecimento do fennesta camada pode gerar o aparecimento do fenóómeno meno raro da ductificararo da ductificaçção, proporcionando contactos a dezenas ão, proporcionando contactos a dezenas de milhares de quilde milhares de quilóómetros e ecos ionosfmetros e ecos ionosfééricos.ricos.

7. Reflexão ionosf7. Reflexão ionosfééricarica

•• A onda embate numa superfA onda embate numa superfíície plana e cie plana e éé reenviada para o mesmo reenviada para o mesmo meio.meio.

•• Na ionosfera a reflexão ocorre quando uma onda de rNa ionosfera a reflexão ocorre quando uma onda de ráádio atinge uma dio atinge uma fina e altamente ionizada camada da ionosfera.fina e altamente ionizada camada da ionosfera.

•• Na realidade, as ondas são refractadas: algumas retornam Na realidade, as ondas são refractadas: algumas retornam àà Terra de Terra de forma tão rforma tão ráápida que parece tratarpida que parece tratar--se do fense do fenóómeno da reflexão.meno da reflexão.

•• Para que a reflexão ocorra, a espessura da camada ionizada não pPara que a reflexão ocorra, a espessura da camada ionizada não pode ode ser maior que um comprimento de onda; dado que as camadas têm ser maior que um comprimento de onda; dado que as camadas têm uma grande espessura, a reflexão acontece apenas com ondas de mauma grande espessura, a reflexão acontece apenas com ondas de maior ior comprimento de onda.comprimento de onda.

8. Refrac8. Refracçção ionosfão ionosfééricarica

•• A onda passa de um meio para outro cujas velocidades de propagaA onda passa de um meio para outro cujas velocidades de propagaçção ão são diferentes e sofre, portanto, um desvio na direcsão diferentes e sofre, portanto, um desvio na direcçção da sua ão da sua propagapropagaçção.ão.

•• As ondas rAs ondas ráádio transmitidas atravdio transmitidas atravéés de camadas ionizadas são sempre s de camadas ionizadas são sempre refractadas, ou dobradas.refractadas, ou dobradas.

•• Uma vez que a velocidade de propagaUma vez que a velocidade de propagaçção nas camadas mais externas ão nas camadas mais externas aumenta abruptamente, a onda aumenta abruptamente, a onda éé desviada novamente em direcdesviada novamente em direcçção ão ààTerra; este desvio Terra; este desvio éé sempre em direcsempre em direcçção ao meio de propagaão ao meio de propagaçção onde a ão onde a velocidade de propagavelocidade de propagaçção ão éé mais baixa.mais baixa.

•• O valor da refracO valor da refracçção que uma onda de rão que uma onda de ráádio sofre depende:dio sofre depende:-- da densidade de ionizada densidade de ionizaçção da camada;ão da camada;-- da frequência da onda de rda frequência da onda de ráádio;dio;-- do ângulo de incidência na camada.do ângulo de incidência na camada.

9. Varia9. Variaçções sazonais da ionosferaões sazonais da ionosfera

•• Resultam do movimento de translaResultam do movimento de translaçção da Terra em torno do Sol ão da Terra em torno do Sol (inclina(inclinaçção dos raios solares varia).ão dos raios solares varia).

•• Nas camadas D, E e F1 as variaNas camadas D, E e F1 as variaçções sazonais estão directamente ões sazonais estão directamente relacionadas com a inclinarelacionadas com a inclinaçção dos raios solares: a ionizaão dos raios solares: a ionizaçção ão éé mmááxima xima durante o Verão.durante o Verão.

•• Na camada F2 a ionizaNa camada F2 a ionizaçção ão éé mmááxima no Inverno; como consequência xima no Inverno; como consequência as frequências propagadas por esta camada são mais elevadas no as frequências propagadas por esta camada são mais elevadas no Inverno que no Verão.Inverno que no Verão.

10. Inversão de temperatura na 10. Inversão de temperatura na TroposferaTroposfera

•• Camadas de ar quente formamCamadas de ar quente formam--se por cima de camadas de ar frio, se por cima de camadas de ar frio, originando canais ou condutas de ar frio entre a Terra e uma camoriginando canais ou condutas de ar frio entre a Terra e uma camada ada de ar quente, ou entre duas camadas de ar quente.de ar quente, ou entre duas camadas de ar quente.

•• Se uma antena emissora estiver dentro deste canal ou se uma ondaSe uma antena emissora estiver dentro deste canal ou se uma onda de de rráádio entrar com um ângulo de incidência muito baixo, as emissões dio entrar com um ângulo de incidência muito baixo, as emissões de de VHF e UHF podem ser propagadas para alVHF e UHF podem ser propagadas para aléém da linha do horizonte.m da linha do horizonte.

•• Estas distâncias são possEstas distâncias são possííveis devido veis devido ààs diferentes densidades e s diferentes densidades e propriedades refractivas do ar quente e do ar frio.propriedades refractivas do ar quente e do ar frio.

•• A mudanA mudançça brusca de densidade quando a onda entra no ar quente a brusca de densidade quando a onda entra no ar quente acima da conduta faz com que a onda seja refractada de volta acima da conduta faz com que a onda seja refractada de volta àà Terra.Terra.

•• Quando a onda atinge a Terra ou uma camada de ar quente abaixo dQuando a onda atinge a Terra ou uma camada de ar quente abaixo da a conduta sucede o oposto e a onda prossegue ao longo da mesma.conduta sucede o oposto e a onda prossegue ao longo da mesma.

•• Esta conduta Esta conduta éé conhecida como ducto troposfconhecida como ducto troposféérico.rico.

Tabelas de previsão de propagaTabelas de previsão de propagaççãoãoSol K A

Inactivo 0 0

Muito Calmo 1 1 a 7

Calmo 2

Incerto 3 8 a 15

Activo 4 16 a 29

Tempestade fraca 5 30 a 49

Tempestade 6 30 a 49

Tempestade forte 7 50 a 99

Tempestade muito forte 8 100 a 400

Tempestade extremamente forte 9

Nota: O Nota: O ííndice ndice KK representa a variarepresenta a variaçção do campo medida a cada 3 horas, enquanto o ão do campo medida a cada 3 horas, enquanto o ííndice ndice AA éé a a

mméédia de 8 dia de 8 ííndices ndices K K consecutivos.consecutivos.

Propagação SFI (F)

Má 60 a 120

Razoável 120 a 180

Boa 180 a 240

Muito boa > 240

Nota: Nota: ÍÍndice SFI (Solar Flux Index) ndice SFI (Solar Flux Index) éé tambtambéém chamado m chamado ííndice F. Este ndice F. Este ííndice tem como ndice tem como base a medibase a mediçção da radiaão da radiaçção solar com comprimento de onda de 10,7 cm (2,8 GHz) que ão solar com comprimento de onda de 10,7 cm (2,8 GHz) que atinge a Terra e datinge a Terra e dáá uma indicauma indicaçção da ionizaão da ionizaçção da camada F, estando directamente ão da camada F, estando directamente relacionado com o MUF. relacionado com o MUF.

LinksLinks

•• http://sunspotwatch.com/http://sunspotwatch.com/

•• http://dx.qsl.net/propagation/http://dx.qsl.net/propagation/