Monitoramento de descargas atmosféricas via Very Low Frequency - VLF

Recentes pesquisas sober descargas atmosféricas mostram-se através do monitoramento destas via sistemas de rádio no espectro do VLF.
Obviamente que este assunto merece destaque especial e foge completamente ao interesse deste site, contudo é de intenção do autor apresentar suas pesquisas nesta área bem como em outras que fazem parte das recentes pesquisas.

Propagação das Ondas Eletromagnéticas no Guia de Onda (Terra – Ionosfera)

As ondas de rádio de ELF (Extremely Low Frequency: 3 Hz – 3 kHz) e VLF (Very Low Frequency: 3 kHz – 30 kHz), despontaram interesse maior devido suas propriedades de propagação a longas distâncias através de sucessivas reflexões no guia de onda formado pela superfície da terra e a ionosfera. Este renovado interesse foi resultado de experiências durante a Primeira Guerra Mundial a partir das rádios comunicações e navegação.

Ondas no ELF /VLF conseguem se propagar a longas distâncias levando informações a cerca do comportamento do campo elétrico das descargas elétricas e inferindo condições ao conhecimento dos fenômenos a ela associadas. Ainda penetram profundamente abaixo da superfície da terra interagindo com a estrutura geológica da terra. Esta interação induz campos secundários, com efeitos mensuráveis acima da superfície da terra, importantes também para outras áreas de pesquisa. A compreensão apropriada da física da geração e da propagação de ELF/VLF acena uma interação com materiais, aplicações nas comunicações e no monitoramento de fenômenos naturais (BARR et. al., 2000).

De forma a entender os sistemas utilizados para a localização de descargas atmosféricas, este capítulo discutirá as freqüências características, suas propriedades e comportamento, em seguida os fenômenos associados a propagação das ondas em VLF e finalmente os sistemas e métodos de monitoramento de descargas atmosféricas.

Os fenômenos mais importantes associados à propagação do VLF são as atenuações do espaço livre e da ionosfera, reflexão na superfície do solo e efeitos resultantes da anisotropia da ionosfera.

A situação mais simples de propagação de uma onda seria por visada direta (característico para as altas freqüências). Embora seja possível apenas num ambiente completamente desobstruído. A propagação da onda direta no espaço livre pode ser considerada principalmente em freqüências elevadas, como em VHF além de UHF e SHF. O alcance da propagação direta fica limitado quando há necessidade de serem consideradas alterações introduzidas pela presença da própria atmosfera e a topografia. Em freqüências muito altas o sinal de rádio reflete no solo e passa a ser uma onda espacial .

A Ionosfera e a Propagação a Longas Distâncias

Quando tratamos das ondas de céu é necessária à existência de uma região refletora na atmosfera superior, foi então que surgiu uma proposta simultaneamente (independentemente), dada por Arthur Edwin Kennelly (1861-1939) e Oliver Heaviside, da existência de uma região eletrizada que poderia dar conta dos fenômenos de propagação, esta camada conhecida inicialmente por camada de Kennelly-Heaviside, hoje designada por ionosfera, foi na época um tema muito discutido pela comunidade científica (ORSINI, 1950; RUSSEL, et al., 1995).

Esta região foi comprovada experimentalmente em 1925 por Edward Victor Appleton (1892-1965), que descobriu a existência das camadas refletoras no seu interior. O conhecimento das características da ionosfera é em grande parte baseado nos seus efeitos sobre ondas eletromagnéticas.

Como o Sol é a fonte natural de energia de maior influência na atmosfera, a ionização das camadas atmosféricas está intimamente relacionada com os efeitos da atividade solar sobre o planeta e, portanto, as variações da ionosfera dependem da hora do dia, da estação do ano, das coordenadas geográficas e do ciclo de atividade solar (AARONS, 1982; ORSINI, 1950).

Para fins de análise do comportamento da propagação das ondas eletromagnéticas, as camadas ionosféricas são identificadas como Camada D, E e Camada F.

Como a atmosfera superior é composta por vários gases distintos, embora predominantemente nitrogênio (N₂) com 78% e oxigênio (O₂) com 21%, e como esses gases possuem características de ionização e recombinação diferenciadas, ocorrem vários máximos locais de densidade de elétrons.

Financiado pela National Science Foundation juntamente com a Hellenic General Secretariat for Research and Development e operando desde junho de 2001 o Sistema de Detecção de Longo Alcance - ZEUS (Long Range Lightning Monitoring Network) é uma rede de sensores no espectro do VLF (7-15 kHz) que detecta e localiza descargas atmosféricas baseando-se na detecção dos “sferics”, sobre o continente africano e europeu (ANAGNOSTUS, et al., 2004; CHRONIS, 2003).

Sensor de VLF sendo instalado no Campu da UFPR - Projeto SIMEPAR/STARNET (ZEUS)

Sferics são ruídos no espectro de rádio, provenientes das descargas atmosféricas e com um máximo de potência eletromagnética no espectro do VLF (8 - 10 kHz). Estes sferics conseguem se propagar a longas distância pelo guia de onda formado pela baixa ionosfera e a superfície terrestre o que permite ser monitorado a distâncias que ultrapassam os 4000 km entre a fonte do sinal eletromagnético e um receptor.

Cada receptor recebe o campo elétrico vertical, proveniente de uma descarga atmosférica e representa seu comportamento numa forma de onda dos sferic. Da diferença do tempo da chegada (ATD) do sinal eletromagnético aos sensores é extraída uma correlação do entre as ATD’s teóricas e ATD’s medidas.

A diferença destas ATD’s infere um ponto sobre a superfície terrestre que indica a localização de um sferic. Esta localização é representada na forma de hipérboles sobre o globo e as suas intersecções efetivamente indicam o local do evento.

A Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas - RINDAT é uma rede de sensores e centrais capaz de detectar descargas atmosféricas do tipo N-S. A RINDAT possui 25 sensores instalados na região Sul e Sudeste do Brasil com as tecnologias: LPATS e IMPACT operando no espectro eletromagnético (VLF/LF) e cobrindo cerca de 50-60% do território nacional (PINTO, et al., 1999).

As perspectivas futuras admitem a inclusão do sistema e informações integradas baseado no sistema de detecção de descargas atmosféricas – SIDDEM, que utilizará sensores do tipo SAFIR e IMPACT no Rio Grande do Sul, Santa Catarina e Mato Grasso do Sul.