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NOÇÕES SOBRE
GERAÇÃO,
TRANSMISSÃO,
PROPAGAÇÃO E
RECEPÇÃO DAS ONDAS
ELETROMAGNÉTICAS E
ACÚSTICAS
34.1 NAVEGAÇÃO ELETRÔNICA
a. DEFINIÇÃO. MÉTODOS DE DETERMINAÇÃO DA POSIÇÃO
Em sua definição mais rigorosa, a expressão Navegação Eletrônica refere-se a todos os usos da eletrônica na navegação. Assim, o termo inclui, por exemplo, o emprego da Agulha Giroscópica para o governo do navio e a utilização do Ecobatímetro na navega- ção costeira ou em águas restritas. Entretanto, na prática, a expressão Navegação Ele- trônica aplica-se quando os dois propósitos básicos da navegação (determinação da posi- ção e controle dos movimentos do navio) são efetuados usando meios eletrônicos. Então, pode-se definir Navegação Eletrônica como aquela que envolve o emprego de equipa- mentos e sistemas eletrônicos para determinação da posição e controle dos movimentos do navio.
A expressão Navegação Eletrônica é mais abrangente que o termo Radionavegação, que se limita aos equipamentos eletrônicos de navegação que usam ondas de radiofre- qüência. Assim, por exemplo, o sonar doppler e o sistema de navegação inercial são recur- sos de Navegação Eletrônica, mas não são de Radionavegação.
Os instrumentos e equipamentos eletrônicos, apesar de todos os avanços e dos de- senvolvimentos recentes, em termos de confiabilidade, precisão e área de cobertura, ain- da são tradicionalmente denominados de auxílios eletrônicos à navegação , para de- notar que constituem recursos complementares aos métodos clássicos de navegação. Em- bora sistemas eletrônicos, como o GPS (“Global Positioning System”), sejam capazes de
prover cobertura mundial permanente, com grande precisão de posicionamento e confia- bilidade, o navegante não deve esquecer que a sua utilização depende do perfeito funciona- mento de instrumentos delicadíssimos, sobre os quais não exerce qualquer tipo de controle, e que a interpretação das informações fornecidas requer o conhecimento de conceitos tradicio- nais de navegação e depende da experiência do operador. Em suma, não se pode confiar cegamente na “push-button navigation”, sob pena de colocar em risco a segurança do navio e da tripulação. Por esta razão, recomenda-se:
1. Somente conduzir a navegação exclusivamente por métodos eletrônicos naque- las circunstâncias em que não seja possível a sua verificação pelos métodos convencio- nais, em virtude de má visibilidade, ausência de astros para observação, inexistência de auxílios visuais à navegação ou pontos notáveis, etc.; se essa situação ocorrer, recordar sempre que uma deficiência instrumental, um erro de interpretação, ou, ainda, anomali- as na propagação das ondas eletromagnéticas, ou acústicas, podem levar a resultados errados e situações perigosas; 2. aproveitar todas as ocasiões para verificar o desempenho dos sistemas eletrôni- cos, por comparação com os métodos clássicos de navegação, a fim de poder formar um juízo de valor sobre sua confiabilidade, precisão e cobertura; e 3. providenciar para que os equipamentos sejam submetidos às rotinas de manu- tenção recomendadas, conhecer completamente os procedimentos para operação dos ins- trumentos e sistemas, suas possibilidades e limitações, além de verificar o seu funciona- mento, antes de o navio suspender.
Quando estudamos os métodos clássicos de navegação, verificamos que a posição do navio é obtida utilizando o conceito de linha de posição (LDP) , definida como o lugar geométrico de todas as posições possíveis de serem ocupadas pelo navio, tendo sido efetu- ada uma determinada observação, em um dado instante. A posição, como se sabe, estará na interseção de duas ou mais LDP. Ademais, vimos que as LDP podem ser obtidas por métodos visuais (reta de marcação, alinhamento, distância pelo ângulo vertical, segmen- to capaz, etc.) ou astronômicos (reta de posição astronômica).
A Navegação Eletrônica também utiliza o conceito de linha de posição para determina- ção da posição do navio. As LDP eletrônicas são obtidas por três métodos básicos:
- método direcional;
- método de medição de distâncias, ou diferença de distâncias; e
- método composto direcional-distâncias. O método direcional consiste na determinação de uma reta de marcação eletrônica (ângulo entre uma direção de referência e a linha que une o navio ao objeto/estação). Como exemplos de equipamentos de Navegação Eletrônica que empregam o método direcional na determinação da LDP, citam-se o Radiogoniômetro e o Consol, além do Ra- dar, quando usado na obtenção de marcações.
O método de medição de distâncias, ou diferença de distâncias, consiste na deter- minação de uma circunferência de igual distância, ou de uma hipérbole de posição (lugar geométrico de pontos que têm a mesma diferença de distâncias a dois pontos fixos). No primeiro caso (método de medição de distâncias), citam-se o Sistema GPS e o Radar, quan- do usado na obtenção de distâncias. O método de medição de diferença de distâncias é utilizado pelos sistemas de navegação hiperbólica (Loran-C, Decca e Omega). Mesmo os equipamentos GPS, Loran-C e Omega que incorporam computadores, os quais já fornecem
radiogoniometria perde alcance e pode induzir erros na marcação radiogoniométrica quando se propaga sobre terra ou sobre água doce. Além disso, é também afetado pelas condições ionosféricas durante a noite (efeito noturno). O sinal Omega, por outro lado, é afetado pela calota polar, quando se propaga em Latitudes elevadas. Ademais, as hipérboles de posição traçadas nas Cartas Omega correspondem a condições padrão de propagação. Quando as condições reais diferem consideravelmente dos padrões, as leituras do receptor Omega neces- sitam ser corrigidas, antes do traçado das LDP na carta.
O segundo conceito, denominado repetitibilidade refere-se à capacidade de um sistema de indicar as mesmas medidas, sempre que se estiver na mesma posição, ou seja, está relacionado à capacidade de retornar exatamente a uma determinada posição, em uma ocasião posterior, orientado pelas coordenadas lidas anteriormente no sistema, quando na mesma posição. Isto é importante, por exemplo, para embarcações de pesca ou de pes- quisa científica.
Além desses, é relevante o conceito de precisão relacional , que consiste na exatidão de uma posição, com respeito a outra posição determinada pelo mesmo sistema.
34.2 ONDAS ELETROMAGNÉTICAS E
ACÚSTICAS
Os sensores e sistemas de Navegação Eletrônica têm que operar em diferentes meios, entre os quais estão o espaço, a atmosfera e as águas dos mares, oceanos e rios. Na execução da Navegação Eletrônica e em outras atividades relacionadas à navegação, como a recepção de informações meteorológicas e de Avisos aos Navegantes, dados devem ser transmitidos através de um ou mais desses meios. Basicamente, existem duas manei- ras de se conseguir isso: pelo uso das ondas eletromagnéticas ou das ondas acústi- cas. O primeiro caso inclui a radionavegação, o radar e as comunicações. As ondas acústi- cas compreendem o emprego do som, ou das ondas sonoras e ultra-sonoras, na navegação.
No espaço, ou no vácuo, apenas as ondas eletromagnéticas podem se propagar entre dois pontos. Na atmosfera, tanto as ondas eletromagnéticas como as acústicas podem se pro- pagar, embora as primeiras o façam com maiores vantagens. Essas vantagens fazem com que as ondas eletromagnéticas dominem completamente o panorama dos sistemas de navegação para uso na atmosfera e no espaço. No oceano, a situação se inverte, e as ondas acústicas dominam os sistemas desenvolvidos para atuar neste meio.
A Navegação Eletrônica , por se desenvolver tanto na atmosfera como nos mares e oceanos, exige compreensão da natureza das ondas eletromagnéticas e acústicas e das suas implicações sobre a capacidade de um navegante obter as informações que necessita para a condução segura do navio ou embarcação.
As ondas representam, em ambos os casos, o mecanismo segundo o qual a propagação se efetua, existindo, portanto, várias semelhanças entre os processos. Entretanto, os fenôme- nos físicos responsáveis pela geração de cada um dos tipos de onda diferem fundamentalmen- te. É importante que se tenha uma razoável noção dessas diferenças e semelhanças. Os itens que se seguem buscam apresentar uma resenha dos conceitos básicos referentes às ondas eletromagnéticas e acústicas, abordadas separadamente.
34.3 TEORIA BÁSICA DA ONDA
ELETROMAGNÉTICA
Para entender os princípios em que se baseia a Radionavegação, o navegante deve- rá compreender a forma em que se geram as ondas eletromagnéticas e as principais ca- racterísticas de sua propagação.
a. GERAÇÃO DE ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
Os fenômenos nos quais intervêm tanto a corrente elétrica como o campo magnéti- co, são denominados de fenômenos eletromagnéticos. São três os fenômenos eletromagné- ticos básicos:
1. Se uma corrente elétrica fluir por um condutor será criado, ao redor do mesmo, um campo magnético (o condutor produzirá um campo magnético, como se fosse um ímã); 2. se um condutor percorrido por uma corrente elétrica for colocado dentro de um campo magnético, ficará sujeito a uma força; e 3. se um condutor fechado for colocado em um campo magnético, de modo que a superfície determinada pelo condutor seja atravessada pelo fluxo magnético, a variação do fluxo induzirá no condutor uma corrente elétrica.
A teoria básica da corrente alternada estabelece que um campo variável, que re- sulta do fluxo de uma corrente alternada em um circuito, induz uma voltagem em um condutor colocado dentro do campo. Na realidade, a voltagem é induzida ainda que não haja condutor no campo. Esta voltagem induzida no espaço, com a forma mostrada na figura 34.1, é, de fato, um campo elétrico. Desta forma, um campo magnético cria no espaço um campo elétrico variável. Este campo elétrico, por sua vez, produz uma corrente
Figura 34.1 – Campo Elétrico Variável (Curva Representativa da Geração de Corrente Alternada)
b. ONDAS ELETROMAGNÉTICAS
A oscilação da carga elétrica (energia que se propaga) tem a forma sinusoidal e recebe o nome de onda eletromagnética. Esta oscilação pode ser produzida por um circuito oscilador, pelo movimento de um condutor dentro de um campo magnético, pelo método magnetostritivo (a vibração mecânica de matérias ferromagnéticas induz uma corrente alternada em um condutor enrolado em torno do material), pelo método piezoelétrico (a vibração mecânica do quartzo produz corrente alternada entre duas pla- cas nos lados opostos do cristal), ou pela natureza, como são as oscilações do movimento ondulatório que dá origem à luz, raios X, raios Gama e outras radiações.
Representando a propagação de uma onda em um plano vertical, tendo como refe- rência uma linha base, à qual chamaremos de linha zero, vemos que qualquer onda sem- pre terá uma parte acima da linha zero (positiva), e outra abaixo da linha zero (negativa). A linha zero representa, na realidade, uma linha de tempo/distância, dando a noção do afastamento, no tempo e no espaço, da onda eletromagnética, com relação à fonte emisso- ra (figura 34.3).
Figura 34.3 – Onda Eletromagnética
No que se refere à terminologia da onda eletromagnética , os pontos mais altos da curva sinusoidal são denominados picos. O pico positivo é medido na direção conside- rada positiva; o pico negativo, na direção oposta. A parte mais alta de uma onda é deno- minada crista , na direção positiva, e cavado , na direção considerada negativa. A parte da frente da onda, no sentido do deslocamento, é denominada bordo anterior. A parte de trás da onda é o bordo posterior ( figura 34.4).
Figura 34.4 – Nomeclatura da Onda Sinusoidal
Ciclo é uma seqüência completa de valores da intensidade da onda que passa atra- vés de um ponto no espaço. É a seqüência completa de valores, de crista a crista, de cavado a cavado, ou de nulo a nulo (figuras 34.4 e 34.5).
Comprimento da onda é a distância horizontal de crista a crista, ou de cavado a cavado consecutivos. É, portanto, a distância entre dois picos positivos (ou negativos) sucessivos da onda. É medido em metros e seus submúltiplos. O comprimento da onda é o comprimento de um ciclo expresso em unidades de distância. A distância percorrida pela energia durante um ciclo é o comprimento da onda. Então, nas figuras 34.4 e 34.5, o ciclo acompanha o trajeto senoidal, enquanto que o comprimento é uma distância horizontal.
Amplitude da onda é a distância vertical entre um ponto da onda e a linha zero (eixo dos X); é, assim, a altura da onda e indica a sua intensidade (força) no ponto conside- rado (figura 34.5).
Figura 34.5 – Terminologia da Onda Eletromagnética
Período da onda é o tempo gasto para completar um ciclo. Freqüência (f) é o número de ciclos completados na unidade de tempo. Em se tratando de ondas eletromagnéticas , a unidade de tempo normalmente usada é o se- gundo, ou seus submúltiplos (microssegundo, picossegundo ou nanossegundo). Na faixa de rádio do espectro eletromagnético, as freqüências são medidas em Hertz (Hz) , que corresponde a 1 ciclo por segundo.
Fase é a quantidade que um ciclo progrediu desde uma origem especificada. A fase é geralmente medida em unidades angulares, correspondendo um ciclo completo a 360º (figura 34.5). A fase também pode ser definida como sendo a situação de um determinado ponto da onda em relação a um ponto-origem, expressa em unidades angulares. Assim, na figura 34.6, temos a representação dos ângulos de fase. Normalmente, a origem é o zero da curva. A fase alcança 90º na crista da onda; 180º quando a amplitude é novamente zero; 270º no cavado e 360º quando volta de novo a zero.
Se tivermos duas ondas com o mesmo ângulo de fase, diremos que as mesmas estão em fase. Se os ângulos de fase forem diferentes, com relação a uma origem comum, diz-se que as ondas estão fora de fase , ou defasadas. O ângulo de diferença de fase denomina- se defasagem.
propagação das ondas eletromagnéticas na atmosfera é de 299.708.000 metros/segundo (161.829,37 milhas náuticas/segundo), o que corresponde a uma diferença de 0,097% em relação ao primeiro valor.
Pela própria definição de freqüência da onda eletromagnética (número de ciclos completados na unidade de tempo), pode-se concluir que o comprimento de onda será tanto menor quanto maior for a freqüência. Assim, o valor do comprimento de onda está diretamente relacionado à freqüência e à velocidade de propagação.
Para ilustrar a relação que existe entre velocidade de propagação , compri- mento de onda e freqüência , considere-se o tempo que transcorre para a passagem de um ciclo completo de um campo eletromagnético por um ponto específico da superfície terrestre.
Durante este lapso de tempo (uma fração de segundo), passará pelo ponto conside- rado um comprimento de onda, ou seja, o intervalo de tempo que se mediu corresponde ao tempo necessário para que o campo magnético se desloque de uma distância igual a um comprimento de onda. Pela física, sabemos que a distância percorrida é igual ao produto da velocidade pelo tempo, isto é:
e = v. t
Neste caso, a distância (e) é igual ao comprimento de onda (l) e a velocidade (v) é igual à velocidade de propagação das ondas eletromagnéticas (C @ 300.000 km/s). O tem- po (t) corresponde a 1 ciclo completo.
Sabemos que a freqüência (f) é igual ao número de ciclos na unidade de tempo. O intervalo de tempo correspondente a um ciclo, portanto, será igual a 1/f.
Então: l = C. t l = C/f; ou C = l. f
Como vimos, a freqüência é medida em Hertz (ciclos/seg). Assim, o comprimen- to de onda ( lllll ) , em metros, será:
l =
f (em Hertz)
Se for necessária maior precisão:
l =
f (em Hertz)
Então, conclui-se que cada freqüência eletromagnética é irradiada em um compri- mento de onda próprio, ou seja, a cada freqüência corresponde um determinado compri- mento de onda.
O conjunto total das freqüências das radiações eletromagnéticas constitui o es- pectro eletromagnético , ou espectro de freqüências. As freqüências nesse espectro variam desde dezenas de Hertz até 10 10 Hertz, englobando rádio, radar, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X, raios Gama e outras radiações. O comportamento de
uma onda eletromagnética depende, sobretudo, da sua freqüência e do correspondente comprimento de onda. Para efeitos descritivos, as freqüências eletromagnéticas são agrupadas em faixas, arranjadas de forma ascendente, conforme mostrado no quadro abaixo.
A faixa das freqüências apropriadas para utilização em transmissões de rádio é denominada de espectro das ondas de rádio ou faixa de radiofreqüências , esten- dendo-se de 10 kHz (10.000 ciclos/segundo) a 300.000 MHz (300.000 megaciclos/segundo), sendo, também, conhecida como Faixa de Rádio e de Microondas.
ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO
Faixa Abreviatura Freqüências Comprimentos Audiofreqüência AF 20 a 20.000 Hz 15.000.000 a 15.000m Radiofreqüência RF 10 kHz a 300.000 MHz 30.000m a 0,1cm Calor e Infravermelho* 106 a 3,9 x 10^8 MHz 0,03 a 7,6 x 10-5^ cm Espectro Visível* 3,9 x 10 8 a 7,9 x 10 8 MHz 7,6 x 10 -5^ a 3,8 x 10 -5^ cm Ultravioleta* 7,9 x 10^8 a 2,3 x 10^10 MHz 3,8 x 10 -5^ a 1,3 x 10 -6^ cm Raios X* 2,0 x 10 9 a 3,0 x 10^13 MHz 1,5 x 10 -5^ a 1,0 x 10 -9^ cm Raios Gama* 2,3 x 10 12 a 3,0 x 10 14 MHz 1,3 x 10 -8^ a 1,0 x 10 -10^ cm Raios Cósmicos* > 4,8 x 10 14 MHz < 6,25 x 10 -11^ cm
ESPECTRO DAS RADIOFREQÜÊNCIAS
Faixa Abreviatura Freqüências Comprimentos
Freqüência muito baixa VLF 10 a 30 kHz 30.000 a 10.000m (Very Low Frequency) Freqüência baixa LF 30 a 300 kHz 10.000 a 1.000m (Low Frequency) Freqüência média MF 300 a 3.000 kHz 1.000 a 100m (Medium Frequency) Freqüência alta HF 3 a 30 MHz 100 a 10m (High Frequency) Freqüência muito alta VHF 30 a 300 MHz 10 a 1m (Very High Frequency) Freqüência ultra alta UHF 300 a 3.000 MHz 100 a 10cm (Ultra High Frequency) Freqüência super alta SHF 3.000 a 30.000 MHz 10 a 1cm (Super High Frequency) Freqüência extremamente alta EHF 30.000 a 300.000 MHz 1 a 0,1cm (Extremely High Frequency)
- Dados aproximados; kHz = Quilohertz e MHz = Megahertz.
Na figura 34.9, a seta c indica a direção de propagação da onda; o vetor E representa o campo elétrico e o vetor H , o campo magnético. Os dois campos, elétrico e magnético, de uma onda plana são perpendiculares entre si (o vetor E é perpendicular ao vetor H ). A figura 34.10 apresenta um trem de ondas eletromagnéticas, onde novamente a seta c representa a direção de propagação, o vetor E o campo elétrico e o vetor H o campo magnético. Verifica-se, mais uma vez, que os dois campos são perpendiculares.
Polarização de uma onda eletromagnética é a direção do plano onde oscila o cam- po elétrico. Portanto, na figura 34.10, a onda está polarizada no plano XY.
Figura 34.9 – Orientação dos Campos Elétrico e Magnético com Relação à Direção de Propagação da Onda
Figura 34.10 – Campos Elétrico e Magnético de uma Onda Plana, Polarizada no Plano XY
Uma onda eletromagnética deslocando-se através do espaço pode estar polarizada em qualquer direção. Mas, junto à Terra, devido a esta ser condutora e curto-circuitar todas as componentes horizontais, a onda eletromagnética estará sempre polarizada verticalmente , o que é uma importante característica da propagação, que devemos co- nhecer.
e. ONDAS TERRESTRES E ONDAS CELESTES
A energia eletromagnética, ao ser irradiada pela antena, propaga-se em todas as dire- ções. Uma parte desta energia se propaga paralelamente à superfície da Terra, enquanto
o restante desloca-se para cima, até que se choca com a ionosfera e reflete-se de volta à Terra. Esta onda refletida, quando alcança a superfície terrestre, reflete-se outra vez em direção às altas camadas da atmosfera, onde pode refletir-se de novo para a Terra, confor- me mostrado na figura 34.11 (nessa figura, a onda celeste n o^ 1 sofreu uma única reflexão, enquanto a onda celeste n o^ 2 sofreu uma dupla reflexão). A parte da energia que segue a superfície da Terra denomina-se onda terrestre , as que são refletidas denominam-se ondas celestes ou ionosféricas. As ondas que se propagam em linha reta têm o nome de ondas diretas.
Figura 34.11 – Onda Terrestre e Onda Celeste
Em freqüências baixas, a onda terrestre adquire uma grande importância, pois a maior parte da energia se irradia seguindo esta direção, sendo a condutividade do terreno um fator determinante na atenuação do sinal (diminuição de amplitude de uma onda, ou corrente, ao aumentar sua distância da fonte emissora), devido à absorção e seus efeitos sobre a velocidade de propagação.
A condutividade do terreno faz com que uma parte do campo eletromagnético pene- tre na superfície da Terra. Como resultado, o limite inferior da frente de onda se atrasa em seu deslocamento, com relação à parte superior, devido à sua penetração neste meio de maior condutividade (enquanto a parte superior não é afetada). Isto traz, como conse- qüência, que toda a frente de onda incline-se para vante, com relação à vertical da fonte emissora, fazendo com que o movimento das ondas eletromagnéticas se curve, acompa- nhando a curvatura da Terra.
Esta tendência de seguir a curvatura da Terra é que torna possível a transmissão de ondas terrestres a grandes distâncias. Entretanto, deve-se recordar que, junto com esta curvatura do movimento da onda eletromagnética, produz-se, também, uma dissipa- ção de energia, devido à absorção causada pela penetração na superfície terrestre. Para compensar este efeito, é necessário o emprego de potências elevadas, quando se deseja alcançar grandes distâncias mediante o emprego de ondas terrestres.
A variação das características de condutividade do solo, ao longo do caminho seguido por uma onda terrestre, torna a previsão de seus efeitos muito complexa e difícil. Por outro lado, a condutividade das superfícies oceânicas é praticamente constante, com o que a veloci- dade de propagação, neste caso, pode ser prevista com bastante precisão.
inversamente proporcionais à distância, se considerarmos que a seção reta do duto ou canal de propagação é constante. Então, teremos:
p =
P
(2pr)R
Traduzindo, na prática, as equações acima, verificamos que, na dispersão esférica, cada vez que a distância dobra, ocorre uma perda de potência de 6 dB. No caso da disper- são cilíndrica, cada vez que a distância é dobrada, há uma perda de 3 dB.
As Leis da dispersão, como pode ser observado, aplicam-se igualmente às ondas eletromagnéticas e acústicas, e são independentes da freqüência.
Não deve ser esquecido que, no caso de sensores ativos, a onda deve percorrer duas vezes a distância que separa a fonte do alvo, introduzindo, portanto, os fatores multiplicadores correspondentes nas Leis da dispersão apresentadas.
b. ABSORÇÃO E ATENUAÇÃO
A propagação de ondas através de qualquer meio diferente do vácuo é sempre acom- panhada de perdas causadas pela absorção de potência pelas partículas do meio. Assim, apenas as ondas eletromagnéticas ao se propagarem no vácuo não são atenuadas pela absorção.
As ondas eletromagnéticas, ao se propagarem na atmosfera, são afetadas pela ab- sorção. O vapor-d’água e as moléculas de oxigênio existentes na atmosfera são os princi- pais responsáveis pela absorção de energia. Os efeitos da absorção crescem com o aumen- to da freqüência.
Perturbações atmosféricas, tais como chuvas e nuvens, que aumentam muito a den- sidade de umidade do ar, causam atenuações substanciais nas freqüências mais elevadas da faixa de rádio e microondas.
Como a densidade da atmosfera diminui com o aumento da altura, a absorção das ondas de rádio e radar será, também, influenciada pela inclinação do feixe. Com maiores inclinações para o alto, a porção da trajetória na parte inferior, mais densa, da atmosfera é menor, resultando numa absorção total menor.
Em freqüências das faixas SHF e EHF a absorção atmosférica torna-se um proble- ma, além do que existe a difração devido à presença de gotas de água de chuva, molécu- las de oxigênio e vapor-d’água (obstáculos de dimensões praticamente iguais aos compri- mentos de onda).
As ondas terrestres, além de perderem energia para o ar, também perdem para o terreno (figura 34.12). A onda é refratada para baixo e parte de sua energia é absorvida. Como resultado dessa primeira absorção, o bordo anterior da onda é curvado para baixo, resultando numa nova absorção, e assim por diante, com a onda perdendo energia gradu- almente. A absorção é maior sobre uma superfície que não seja boa condutora. Relativa- mente pouca absorção ocorre quando a onda se propaga sobre a superfície do mar, que é uma excelente condutora. Assim, as ondas terrestres de freqüência muito baixa percor- rem grandes distâncias sobre os oceanos.
Figura 34.12 – Absorção da Onda Terrestre pelo Terreno
Também as ondas refletidas que sofrem mais de uma reflexão perdem energia por absorção quando de sua reflexão intermediária na Terra. Além disso, as ondas refletidas sofrem absorção quando de sua reflexão na ionosfera, cujo grau depende da densidade de ionização, da freqüência da onda eletromagnética e da altura. A absorção ionosférica máxima ocorre aproximadamente na freqüência de 1.400 kHz.
Quanto à penetração na água, as ondas eletromagnéticas são muito absorvidas pelo oceano. Apenas as freqüências extremamente baixas (ELF), muito baixas (VLF) e baixas (LF) podem conseguir alguma penetração no meio aquático, assim mesmo às expensas de elevadas potências de transmissão. Estas ondas, após percorrerem alguns milhares de milhas, penetram na água até profundidades que permitem o recebimento de sinais por submarinos imersos até 100 pés (VLF), como no sistema Omega de navegação. Recentes experiências, realizadas na área das ELF, indicam a possibilidade de recebi- mento de mensagens por submarinos em qualquer profundidade e sem limitação de velo- cidade.
Atenuação é a diminuição da intensidade da onda com a distância. Da Física, sabemos que a intensidade do campo varia inversamente com o quadrado da distância. Essa diminuição da intensidade é que se denomina atenuação. Quanto mais distante do emissor, mais fraco é o campo eletromagnético, como mostrado na figura 34.13.
Figura 34.13 – Atenuação da Onda Eletromagnética
c. REFLEXÃO DAS ONDAS ELETROMAGNÉTICAS.
A IONOSFERA E AS ONDAS DE RÁDIO
A reflexão é um fator indispensável para o funcionamento de sensores ativos, como o radar.
Quando uma onda encontra a superfície limítrofe entre dois meios de densidades diferentes, uma parte da energia é refletida, outra parte da energia é absorvida pela superfície refletora e uma terceira porção pode penetrar, refratar-se e se propagar no segundo meio. As quantidades de energia envolvidas nesses três processos irão depender, basicamente, da natureza da superfície, das propriedades do material e da freqüência da onda. No caso das ondas EM, a orientação da polarização do campo elétrico em relação à superfície também exercerá influência.
Sempre que uma onda é refletida pela superfície terrestre, dá-se uma mudança de fase, que varia com a condutividade do terreno e a polarização da onda, alcançando um máximo de 180º para uma onda polarizada horizontalmente, quando refletida pela água do mar (que considera-se como tendo condutividade infinita).
A atmosfera possui várias superfícies refletoras, a principal das quais é a ionos- fera.
Uma onda, emitida por um transmissor, poderá propagar-se até o aparelho recep- tor acompanhando a superfície da Terra. A onda que faz esse trajeto denomina-se, como vimos, onda terrestre. Porém, conforme estudado, a onda pode alcançar o receptor atra- vés de uma ou mais reflexões, denominando-se, então, onda refletida.
Quando uma onda terrestre e uma onda refletida chegam ao mesmo tempo a um receptor, o sinal total é a soma vetorial das duas ondas. Se os sinais estão em fase, uma onda reforça a outra, produzindo um sinal mais forte. Se há diferença de fase, os sinais tendem a cancelar-se mutuamente, sendo o cancelamento completo quando a diferença de fase é de 180º e os dois sinais têm a mesma amplitude. Essa interação tem o nome de interferência de ondas. A diminuição de sinal no receptor devido a essa interação de on- das terrestres e refletidas é denominada “fading” (desvanecimento).
Sob certas condições, uma porção da energia eletromagnética de uma onda de rádio poderá ser refletida de volta à superfície terrestre pela ionosfera , uma camada carrega- da de partículas entre 90 e 400 km de altura. Quando isso ocorre, denominamos a onda refletida de onda celeste.
A parte superior da atmosfera terrestre durante o dia é ininterruptamente bom- bardeada pelos raios ultravioletas solares. Essas ondas luminosas de elevada energia fazem com que os elétrons das moléculas gasosas da parte superior da atmosfera tor- nem-se ativos e libertem-se de suas moléculas, passando a formar as camadas ioni- zadas. Essas camadas alcançam sua maior intensidade quando o Sol atinge sua altura máxima.
Existem quatro camadas ionosféricas de importância no estudo da propagação das ondas de rádio (figura 34.15):
Figura 34.15 – Camadas Ionosféricas
Camada F – É a mais alta, onde a densidade do ar é tão baixa que os gases se apresentam, na maioria dos casos, como átomos separados, em vez de moléculas. Aí há uma forte ionização produzida pela radiação solar. Acima dela, há um decréscimo de ionização devido à falta de átomos; abaixo dela, também há um decréscimo, porque o agente ionizador (radiação solar) já foi absorvido. Durante o dia, a camada se divide em duas subcamadas: F1 e F2 , sendo F1 a mais baixa. São dois níveis máximos de ionização, sendo que F1 vai de cerca de 175 a 250 km de altitude, e F2 de 250 a 400 km de altitude. De noite, elas se reúnem numa única camada, em altitude de cerca de 300 km, e a ela damos o nome comum de camada F , a qual é, normalmente, a única camada ionosférica importante para a propagação rádio no período noturno.
Camada E – Estende-se de 100 a 150 km de altitude e julga-se ser devida à ionização de todos os gases por raio s X leves. É a região onde os raios X que não foram absorvidos pelas camadas anteriores encontram um grande número de moléculas de gás, ocorrendo novamente um máximo de ionização. A camada E tem uma altura praticamente constan- te, ao contrário das camadas F , e permanece durante a noite, se bem que com um decrés- cimo em seu grau de ionização. Existem regiões irregulares de grau de ionização, denomi- nadas “camadas E esporádicas”, cujas densidades de elétrons podem ser até 10 vezes maiores que a da camada E normal. Essas regiões esporádicas podem ocorrer a qualquer hora do dia e em qualquer estação do ano.
Camada D – É a mais fraca e a mais próxima da superfície da Terra, situando-se entre 60 e 90 km de altitude. Como dito, tem uma densidade de ionização bem fraca, muito menor que qualquer das outras, e desaparece durante a noite. Ela absorve ondas de alta freqüência (HF) e reflete ondas de freqüência baixa (LF e VLF), obviamente du- rante o dia claro.
Todas as camadas da ionosfera são variáveis de alguma forma, com seus padrões prin- cipais parecendo ser função dos períodos diurnos, das estações do ano e do ciclo solar. As camadas podem favorecer a propagação da onda de rádio para uma área de recepção deseja- da, ou elas podem dificultar, e até mesmo impedir inteiramente, tal transmissão. A freqüên- cia da onda, seu ângulo de incidência e a altura e densidade das várias camadas no momento da transmissão serão os fatores determinantes da facilidade ou não de recepção da transmis- são realizada. De uma forma geral, as freqüências nas faixas de MF e HF são mais apropri- adas para a reflexão ionosférica durante o dia, sendo que a parte superior da faixa LF e a parte mais baixa da faixa VHF produzem ondas celestes somente utilizáveis à noite. As fre- qüências fora desses limites ou não produzem ondas celestes, ou aquelas que são produzidas são tão fracas que não podem ser utilizáveis.
Combinando os efeitos da onda celeste , ou onda ionosférica , com os da onda terrestre , já estudada, pode-se imaginar um padrão de propagação como mostrado na figura 34.16.
A onda celeste que sai diretamente pela vertical da antena (na direção do Zênite) penetra na ionosfera e perde-se no espaço. Uma onda que faça um pequeno ângulo com a vertical ao sair da antena, também poderá atravessar a ionosfera e se perder no espaço, como no caso do raio 1 mostrado na figura 34.16. Aumentando o ângulo que o raio emitido faz com a vertical da antena, alcança-se um ângulo sob o qual a onda transmitida reflete- se na ionosfera e retorna à Terra. Este ângulo (b, na figura) tem o nome de ângulo críti- co. Então, o raio 2 (figura 34.16), incidindo sobre a ionosfera com um ângulo igual (ou maior) que o ângulo crítico, reflete-se na ionosfera, formando uma onda refletida que atinge a superfície da Terra no ponto P 1.
