CAPÍTULO 3
INSTRUMENTAÇÃO
3.1 INSTRUMENTO
Para este estudo, como já visto, precisa-se obter a aeroluminescência OI 630
nm para verificar a ocorrência das bolhas ionosféricas. Esta aeroluminescência
é registrada em imagens digitais monocromáticas (512 pixels linhas x 512
pixels colunas) por um instrumento ótico denominado imageador CCD all-sky.
A intensidade da aeroluminescência nas imagens digitais varia em valores
inteiros de zero, para a cor preta, até 255, para a cor branca.
O instrumento é composto por uma lente do tipo fish-eye, um sistema
telecêntrico de lentes, um rack, uma roda de filtros de interferência ótica, um
sistema de reconstrução da imagem, uma câmera CCD (Charge Coupled
Device) com um sistema de refrigeração e um microcomputador. O diagrama
em blocos deste instrumento pode ser visto na Figura 3.1 e uma foto do mesmo
na Figura 3.2.
43
Fig. 3.1 – Diagrama em blocos do imageador CCD all-sky.
FONTE: Medeiros (1999)
(1)
(3)
(2)
(4)
(8)
(5)
(7)
(6)
Fig. 3.2 – Imageador CCD all-sky sendo: (1) lente do tipo fish-eye ; (2) rack; (3)
sistema telecêntrico de lentes; (4) roda de filtros de interferência ótica;
(5) sistema de reconstrução da imagem; (6) câmera CCD; (7) sistema
de refrigeração da câmera CCD e (8) microcomputador.
FONTE: foto disponível no laboratório LUME.
44
A lente do tipo fish-eye possibilita um campo de visão de 180o do céu noturno.
O uso deste tipo de lente introduz o efeito da compressão e da curvatura nas
imagens digitais conforme caminha-se do centro para a borda das mesmas.
O rack é, simplesmente, um suporte, uma sustentação para facilitar o
deslocamento e a manutenção do instrumento.
A roda de filtros de interferência ótica, gerenciada pelo programa de aquisição
de dados, gira automaticamente, tendo ao todo 5 filtros. Cada filtro é para as
respectivas aeroluminescências OI 630 nm, OI 557.7 nm, banda OH, O2 (0-1)
e fundo(background).
O sistema telecêntrico de lentes, junto com o sistema de reconstrução da
imagem, constituem a parte ótica do instrumento. O primeiro sistema é
responsável por perpendicularizar os feixes de luz sobre um determinado filtro,
dado que os feixes de luz incidem em qualquer ângulo sobre a lente fish-eye. O
segundo sistema é necessário para que a câmera CCD possa gerar a imagem
digital corretamente. Este sistema deve reconstruir a imagem segundo o
comprimento de onda que passa pelo determinado filtro, deixando-o
perpendicular a câmera CCD.
A câmera CCD possui, atualmente, o tempo de exposição de 100 segundos. É
composta basicamente por uma matriz de células sensíveis à luz. A imagem
reconstruída é detectada por um conjunto de células individuais onde cada
célula recebe o nome de pixel. A quantidade de pixels em uma câmera CCD
determina a complexidade, tamanho físico e preço da mesma. Quanto maior o
número de pixels, melhor é a qualidade da imagem digital obtida. Um pixel
pode variar de poucos µm até 48 µm ocupando, a matriz de pixels, uma área
total de 1 cm2 a 24 cm2. A matriz de pixels da câmera CCD utilizada neste
estudo possui uma área de 6,54 cm2.
O sistema de refrigeração é para a câmera CCD. Este sistema deve suavizar
os efeitos causados pela energia térmica gerada pelos componentes elétricos e
correntes elétricas da própria câmera CCD. A energia térmica é ruídos
45
térmicos. Os ruídos térmicos podem ter a mesma periodicidade que o
comprimento de onda interferindo, portanto, na identificação do mesmo pela
câmera CCD e, desta forma, mascarando a aeroluminescência podendo
contaminar as imagens digitais.
O microcomputador é para gerenciar todo o instrumento através de um
programa de aquisição de dados desenvolvido para este fim. Este programa
possibilita, entre outros itens, girar a roda de filtro de interferência ótica
automaticamente, controlar o tempo de exposição da câmera CCD, gerar um
cabeçalho contendo o comprimento de onda, a data e a hora (UT) para cada
imagem digital e armazená-las em arquivos sequênciais.
3.2 ÁREA DE ABRANGÊNCIA DO INSTRUMENTO
A área de abrangência do instrumento varia de acordo com a altura da
aeroluminescência. A aeroluminescência OI 630 nm, como já visto no item 2.3,
está em ~250 km de altura. Para esta altura, o instrumento com 180o de visão
do céu noturno, tem um alcance de ~1800 km de raio centrado em Cachoeira
Paulista. Na prática, o ângulo de visão do instrumento cobre 160o do céu
noturno local restringindo a área de abrangência para ~1600 km de raio como
pode-se ver em destaque na Figura 3.3. A diferença de 20o corresponde ao
chamado ângulo morto de visão.
Observando a Figura 3.3, percebe-se que a área abrangida pelo instrumento
corresponde a quase metade do território nacional e a uma área equivalente do
Oceano Atlântico. Em coordenadas geográficas, esta área abrangida
corresponde em latitude de 6,8o S a 38,4o S e em longitude de 29,2o O a 60,8o
O.
46
Fig. 3.3 - Área de abrangência do instrumento centrada em Cachoeira Paulista
com ~1600 km de raio para a aeroluminescência OI 630 nm.
3.3 FUNCIONAMENTO DO INSTRUMENTO
O instrumento está operando em Cachoeira Paulista desde outubro de 1998.
Como a maioria dos instrumentos óticos situados em solo e projetados para
medir a aeroluminescência noturna, o imageador CCD all-sky necessita de um
céu límpido e claro para operar.
Estas condições restringem o período de observação para as luas nova e
minguante limitando em aproximadamente 13 dias por mês de possível
observação. Se durante este período, as condições meteorológicas locais
como chuvas, intensidade das nuvens... não forem excelentes, o instrumento
não opera.
47
Esta precaução, uma desvantagem do instrumento, é necessária para
proporcionar maior confiabilidade na subtração do ruído de fundo da
contaminação espectral extraterrestre nas imagens digitais do céu noturno
local. As luzes vizinhas ao ponto de observação podem contaminar as imagens
digitais principalmente quando são refletidas através das nuvens.
O princípio de funcionamento do instrumento é análogo ao princípio de
funcionamento do fotômetro de varredura OI 630 nm, o qual é baseado em um
ângulo de visada de ± 30o em torno da vertical. A varredura realiza-se, então,
em uma faixa angular zonal de ±75o em torno do ângulo de visada.
Do Capítulo 2, sabe-se que a intensidade da aeroluminescência OI 630 nm é
diretamente proporcional a densidade eletrônica da ionosfera. A varredura
realizada pelo fotômetro OI 630 nm tem a finalidade de traçar um perfil desta
intensidade que terá perturbações proporcionalmente a variação da densidade
eletrônica. Portanto, se existir as bolhas ionosféricas na faixa angular zonal
varrida, estas se manifestarão em formas de perturbações, geralmente
chamadas “vales”, nos perfis obtidos.
A Figura 3.4 é uma representação didática desta varredura. Nesta Figura 3.4, o
perfil regular (sem vales) que apresenta-se em (a) indica que não há as bolhas
ionosféricas. O perfil irregular (com vales) que apresenta-se em (b) indica que
há as bolhas ionosféricas. Pode-se relacionar a Figura 3.4 com as imagens
digitais vistas na Figura 3.5 que representa o céu noturno local. As imagens
digitais possuem um ângulo de visada de ±80o em torno da vertical em todos
os azimutes. Na Figura 3.5 os pontos claros vistos são as estrelas e o
aglomerado de estrelas no centro das imagens digitais é a Via Láctea.
48
(b)
(a)
perfil da
intensidade
perfil da
intensidade
Fig. 3.4 – Representação didática da varredura feita pelo fotômetro de
varredura OI 630 nm: (a) perfil obtido com a ausência e (b) perfil
obtido com a presença das bolhas ionosféricas.
Bolhas
ionosféricas
Ngeográfico
(a)
(b)
Ngeográfico
Via Láctea
estrelas
Fig. 3.5 – Imagens digitais obtidas para o dia 18/3/99 em Cachoeira Paulista
sendo (a) sem bolhas ionosféricas às 20:07:29 HL e (b) com bolhas
ionosféricas às 22:44:27 HL. O instrumento está alinhado com o
norte geográfico.
49
Estas imagens digitais do céu noturno local registram a variação espacial da
intensidade da aeroluminescência OI 630 nm em um dado instante.
3.4 CONSIDERAÇÕES FINAIS SOBRE O INSTRUMENTO
O instrumento foi construído primeiramente com uma câmera fotográfica de
35 mm em sua base que, com o avanço da tecnologia, foi substituída pela
câmera CCD.
O imageador CCD all-sky gera imagens digitais em arquivos dispensando o
procedimento da digitalização das fotografias (necessários nos primeiros
imageadores) facilitando a manipulação e o processamento das mesmas por
aplicativos computacionais otimizando o tempo dedicado para obter os
resultados.
Os resultados deste estudo, dado a área de abrangência do instrumento,
fornecem um diagnóstico bastante representativo da morfologia e da dinâmica
das bolhas ionosféricas que ocorrem sobre o território brasileiro.
50