Revista Brasileira de Física, Vol. 9, NP 2, 1979
Variações no Fluxo de Eletrons Induzidos nas Experiências
de Modificações da lonosfera por Meio de Ondas de Alta
Freqüência
J. H. A. SOBRAL
Instituto de Pesquisas Espaciais (INPE), Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico
e Tecnoiógico (CNPq), São José dos Campos, SP
Recebido ern 8 de Agosto de 1979
O 1 6300
8
airglow
enhancements caused by n i g h powered HF
waves a r e presented. These r e s u l t s were obtained a t Arecibo, Puerto R i o
o
co (geographic coordinates 18.35 N, 66.75 W) and are compared wi t h equi
-
v a l e n t measurements performed a t Boulder, Colorado. The observations o f
systematically smaller a r t i f i c i a l nightglow
Arecibo, as compared t o those a t Boulder,
(6300
a)
enhancements a t
i s b r i e f l y discussed.
São apresentados aumentos de luminescência O 1 (63008) decorrentes do aquecimento da ionosfera, o qual é alcançado por ondas de a l t a f requência, em Areci bo, P o r t o Rico. Tais aumentos são comparados com
aumentos anál ogos o b t i d o s em Boul der, E .U .A.
Di scute- se os aumentos
de
l umi nescênci a de Areci bo, sistematicamente menores do que os de Boul d e r .
As condições ambientes da i o n o s f e r a podem ser
consi d e r a v e l -
mente a l t e r a d a s p e l a passagem de uma onda de r á d i o de a l t a frequência de
intensidade m u i t o e l e ~ a d a l , ~ , ~E. l ê t r o n s são
aquecido^^,^,^ e criam-se
condições para o estabelecimento de instabi 1 idades paramétricas no p l a s ma i o n o s f é r i c o 7 as quais já se evidenciaram em medidas de radar de
p a l hamento incoerente, durante a execução de experiências de
es-
modi f i ca-
ção da ioiiosfera por meio de ondas de a l t a f requência8s9. Seguem-se out r a s experiências de modificação e estudos t e õ r i c o s mai s e s p e c i f i cos sob r e ondas de plasma geradas p e l o campo e l é t r i c o e x c i tador das ondas de
a l t a frequência como a t e o r i a não l i n e a r do amortecimento
de
Landau
(Refs. 10 a 14), t e o r i a de ó r b i t a s de e l é t r o n s perturbadas15,16,
vações de l i n h a s c i c l o t r Ô n i c a s dos e l é t r o n s 1 7 e previsões
do
obserf l u x o de
e l é t r o n s decorrente do aquecimento18.
Paralelamente às experiências do radar de espalhamento incoerente, foram f e i t a s medidas das 1 inhas de emissão 6300
8
e 5577
x i g ê n i o a t Ô m i ~ o l ~ -Esperava-se
~~.
uma supressão na emissão
mento de onda de 6300
8
no
8
do o-
compri-
p o i s , o aumento de temperatura ambiente reduzi
-
r i a a razão de produção de uma das duas reações químicas diretamenteresponsáveis p e l a produção de átomos metaestáveis de o x i g ê n i o . Apareceu, ao
c o n t r á r i o , um aumento de emissão que f o i j u s t i f i c a d o como decorrente do
aumento de produção de átomos metaestáveis de oxigênio, gerados por co-
1 i s ã o de e l e t r o n s estocasticamente acelerados com átomos de oxigên i o neut r o locais 1 * (Biondi , comunicação pessoal)
6300
8
. Medidas
de 1 umi nescênc i a em
(daqui por d i a n t e chamado simplesmente de L6300) também foram u-
t i 1 i zadas no cá1c u l o do c o e f i c i e n t e de desexci tação dos átomos
t ã v e i s de o x i g ê n i o por c o l i s õ e s com o n i t r o g ê n i o molecul a r
metaes-
e com e l e -
t r o n s não termal i z a d o ~ ~ ~ , ~ ~ .
No presente trabalho, apresentamos o aumento de intensidade
da L6300 o b t i d o em Arecibo, P o r t o Rico, u t i 1 izando uma potência de a1 t a
f requência (5.425 MHZ) de 101 Kw. Este r e s u l t a d o
6 comparado com o de
Boulder, colorado18 e são comentadas as p o s s í v e i s razões das d i f e r e n ç a s
de emissão no comprimento de onda de 6300
8.
2. FLUXO DE ELETRONS
Numa t e n t a t i v a de c a l c u l a r o f l u x o J , de e l e t r o n s , decorrent e s das ondas de Langmuir i n s t á v e i s com e l e t r o n s do meio ambiente,
instockl8
chegou ao seguinte r e s u l t a d o :
We-
onde,
no = densidade e l e t r ô n i c a
-k,w = v e t o r e frequência da onda de plasma, respectivamente
ue
= velocidade térmica do e l e t r o n
~ ( h =) campo e l é t r i c o e x c i t a d o r na a l t u r a h .
[-]
% ( h ) = campo e l é t r i c o 1 i m i t e para a i n s t a b i 1 idade na
a1 t u r a h.
wd /km = velocidade de aprisionamento dos e l é t r o n s .
% = energia
c i n é t i c a média dos e l é t r o n s .
I ( g L ) = densidade e s p e c t r a l de energia da onda
I(z/O) = E
(&
I/)
em coordenadas polares com
E na
2.L =
posição P.
O
, 1 /2
I
. u e u < u i n t e r v a l o de velocidade dos e l e t r o n s no qual o c o e f i c i e n t e de
1
d i f u s ã o é suficientemente a l t o para m o d i f i c a r a funsão de d i s t r i b u i ç ã o dos e l e t r o n s .
= frequência e l e t r ô n i c a do plasma.
Segundo Weinstock, o v a l o r de
tremamente sensível ao v a l o r de
tam grandes decréscimos de
km'
dado p e l a expressão 1
6
ex-
Pequenos decréscimos de k
< e sugere-se que t a l
m acarre-
variação s e j a a causa
da menor rnodi f i cação da ionosfera, em termos de 1umi nescência, de
Are-
c i b o , comparado com Boulder. O f l u x o de e l e t r o n s dado p e l a expressão
1
o c o r r e na p a r t e i n f e r i o r da região aquecida, ou seja, cerca de 5 a 6 Km
abaixo do n í v e l de reflexão. Este f l u x o
6
responsável p e l o
aumento
da
população de átomos de o x i g ê n i o metaes t á v e i s e x c i tados p o r impacto.
3. RESULTADOS OBTIDOS
A f i g u r a 1 mostra o aumento de emissão no comprimento de on-
8
da de 6300
o b t i d o em Arecibo, P o r t o Rico, às 02:45 hs do d i a 5 de ou-
t u b r o de 1972. A f i g u r a mostra o r e g i s t r o de dados correspondentes a aproximadamente meio c i c l o da sequência de pulsos de ondas
de a l t a f r e -
quência de t r ê s minutos de duração, os quais eram seguidos p e l o
apaga-
mento do transmissor por t r ê s m i nutos também.
O t r a j e t o da onda de a l t a frequência é mostrado, f o r a de escala, na Figura 2.
A componente o r d i n á r i a da onda de
a l t a frequência
propaga-se no meio magnetoiônico em d i reção c a r a c t e r i s t i c a m e n t e próxima
e perpendicular à 1 inha de f o r ç a do campo magnético. Por i s s o e l a tomaa
d i r e ç ã o norte, conforme mostra a F i g u r a 2. Os f o t h e t r o s de
6300
8 apontavam
plano m e r i d i o n a l
O
continuamente para um ângulo de 5
. Nesta posição,
5577
com a v e r t i c a l ,
ARECIBO, PORTO
T
O
e
no
esperava-se o máximo de variação de l u -
m i nescênci a.
H F LIGADO
8
RICO
5 DE OUTUBRO DE 1 9 7 2 . 0 2 :45. HORA LOCAL
HF DESLIGA00
60
HF LIGA00
120
TEMPO í SEGUNDOS)
FIGURA I
BASE
FIGURA 2
Não f o i detetado nenhum aumento de emissão no comprimento de
onda de
5577
8.
I s t o deve-se ao a1 t o n í v e l de energia, do átomo do o x i -
gênio, para a sua emissão
(4, 17 e v ) .
Para assegurar-se de que o aumento de L6300 não e r a uma mera
i n t e r f e r g n c i a dos pulsos t r a n s m i t i d o s no s istema de recepção de luminescência, fechava-se a entrada de l u z nos fotômetros, em alguns i n s t a n t e s .
Obviamente, se o aumento de s i n a l ocorresse sem entrada de luz, oaument o se deveria
gumas vezes.
5 i n t e r f e r ê n c i a do equipamento. De f a t o i s t o ocorreu a l -
Da é d i r e t a m e n t e p r o Da = D+ (1 +Te /T+ ) e
- V ( D ,D ) , espera- se que na r e g i ã o de Da
a +
Como o c o e f i c i e n t e de d i f u s ã o a m b i p o l a r
porcional
temperatura dos e l e t r o n s , Te, ou s e j a :
densidade de c o r r e n t e
r
e,+ =
aumentado, h a j a , p a r a f o r a d e l a , uma m i g r a ç ã o de e l e t r o n s . Essa
migra-
ção a m b i p o l a r é p o s s i v e l m e n t e a causa do decréscimo de l u m i n e s c ê n c i a que
o c o r r e após o d e s l igamento do t r a n s m i s s o r de a1 t a f requência21.
Parece
que, em nosso caso, o decréscimo de emissão não f o i a f e t a d o p e l a d i f u são a m b i p o l a r , p e l o menos d e n t r o da p r e c i s ã o das nossas medidas, p o i s
decréscimo de emissão r e g i s t r a d o tendeu ass i n t õ t i c a
e
monotonicamente
para u m c e r t o v a l o r ( p o s s i v e l m e n t e àquele não ~ e r t u r b a d o ) .
a m b i p o l a r a c a r r e t a r i a um "buraco"
O
A
difusão
nos r e g i s t r o s de L6300, c u j o r e c o b r i
Bento se d a r i a p e l o r e t o r n o dos e l e t r o n s emigrados. Esses e l e t r o n s ,
r e t o r n a r e m se recombinariam com i o n s de o x i g ê n i o m o l e c u l a r ,
-
ao
a t r a v é s de
uma recomb i nação d i s s o c i a t i va , dando o r i gem a novos átomos metaes t á v e i s
de o x i g ê n i o , aumentando desse modo a L6300.
Eventualmente, a r e g i ã o que perde e l e t r o n s d u r a n t e o a q u e c i mento
pode s o f r e r deslocamentos cons i d e r ã v e i s p o r e f e i t o
pos e l é t r i c o s normalmente j á e x i s t e n t e s , ou s e j a , aqueles
E
x
dos cam-
criados
por
e f e i t o dínamo e t r a n s m i t i d o s à r e g i ã o F p e l a s l i n h a s a l t a m e n t e condutor a s de campo magnét i c o Z 4 . Nosso f o t ô m e t r o apontava continuamente numa e levação f i x a . Desse,modo, o c e n t r o de supressão de L6300 deve t e r s a í d o
da m i r a d a do f o t ô m e t r o e com i s s o não detetamos o " buraco" da ~ 6 3 0 0 .
A v a r i a ç ã o mostrada na F i g u r a 1 é de
7
R a y l e i g h s . Medidas se-
melhantes r e a l i z a d a s em Boulder r e v e l a r a m um aumento análogo de 50 Rayleighsl*.
T a l d i f e r e n ç a parece um t a n t o grande, considerando- se
densidade de p o t ê n c i a t r a n s m i t i d a em A r e c i b o é apenas a metade
que
a
daquela
t r a n s m i t i d a em B o u l d e r .
Os c ã l c u l o s numérí cos de Wei n s t o c k u t i 1izando a expresszo (1) ,
mostram que o f l u x o de e l e t r o n s em A r e c i b o é apenas c e r c a de 1/8 d o f l u x o
de B o u l d e r . E s t e r e s u l t a d o e s t á compatível com as v a r i a ç õ e s de luminesc ê n c i a de 6300
8
r e g i s t r a d o s em B o u l d e r e em A r e c i b o : 5 0 R a y l e i g h s e
7
Rayleighs, respectivamente.
E i n t e r e s s a n t e o b s e r v a r que a v a r i a ç ã o de
luminescência
em
Arecibo ocorreu apenas durante a transmissão dos pulsos
de
.
f requênci a (5.425
mais
a1 t a
M H ~ ) I s t o t a l v e z s e j a e x p l icado p e l o maior hD (Debye
length) em n í v e i s mais próximos ao p i c o da r e g i ã o F, impl icando p o r seu
turno, um maior k
m e maior J .
Não
ê muito f á c i l v e r i f i c a r a dependência de L6300, conforme
sugeri do por ~ei nstosk18, como causa da grande d i f e r e n ç a de modi f icação
da L6300 e n t r e Areci bo e Boulder
. Como j u s t i f icariamos
uma d i f e r e n ç a sis-
temát i c a da razão T/N nos d o i s l o c a i s ? De acordo com a sugestão de
instock, T/N é sempre menor em P o r t o Riw.
We-
E interessante, nesse caso,
T , supondo - s e
que se fasam medidas simultâneas de T f (deduzindo-se d a í
que à n o i t e ,
= 1) e de N com o radar de espalhamento incoeren-
(Ti/T)
e
t e , durant:e as experiências de modificação. a f i m de f a c i l i t a r a a n ã l i se de t a l dependência.
O presente t r a b a l h o f o i patrocinado pelas
Universidades
de
Rice e C o r n e l l , dos Estados unidos e p e l o I n s t i t u t o de Pesquisas Espac i a i s (INPE), B r a s i l .
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