DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA MESOSFÉRICA ATRAVÉS DAS EMISSÕES DO AIRGLOW

1. DETERMINAÇÃO DA TEMPERATURA MESOSFÉRICA ATRAVÉS DAS EMISSÕES DO AIRGLOW Fábio Egito

2. www.ubthenews.com/topics/ionosphere.htm

3. O AIRGLOW • O AIRGLOW é uma luminosidade natural emitida continuadamente na alta atmosfera por átomos e moléculas excitados que ao retornarem para os níveis fundamentais emitem fótons.

4. Principais Emissões • Bandas da hidroxila, conhecidas também como Bandas de Meinel; • Bandas de Hezberg-Kaplan do oxigênio molecular • Emissões do oxigênio atômico. • Emissões do átomo de sódio.

7. Perfil vertical das emissões

8. Reações químicas Linha verde do oxigênio atômico na mesopausa Linha vermelha do oxigênio atômico na região-F da ionosfera

9. Reações químicas Banda de Hezberg do oxigênio molecular Linha amarela do sódio mesosférico

10. Reações químicas Bandas de Meinel da hidroxila

11. A temperatura mesosférica a partir do espectro do OH A temperatura da atmosfera em torno de 87km de altitude é estimada a partir do espectro de emissão de várias bandas vibra-rotacionais do OH. Em nosso caso, a determinação é feita a partir do espectro da banda OH(6-2). Basicamente, determinamos o espectro teórico da banda e o comparamos com as medidas que efetuamos com um instrumento instalado no solo.

12. Espectroscopia do OH O espectro de energia emitido por uma molécula pode ser devido a transições eletrônicas, vibracionais e rotacionais, seguindo a seguinte hierarquia energética: Ee > Evib > Erot O espectro de emissão do airglow da hidroxila ocorre dentro do estado eletrônico fundamental A energia é expressa em termos do número de onda (cm-1)

13. Estados quânticos do OH O estado quântico do OH é completamente determinado por quatro números quânticos: • momento angular orbital L; • spin eletrônico S; • rotação dos núcleos N; • vibração dos núcleos ;

14. Momento angular orbital Momento angular de rotação dos núcleos Momento angular do Spin eletrônico Momento angular total da molécula O momento angular total é dado por:

15. Acoplamento Quando o número quântico de rotação do núcleo é baixo (N<10), o acoplamento entre o momento angular orbital e o spin é descrito pelo caso a) de Hund.

16. Neste caso, o momento angular orbital e o spin estão fortemente acoplados ao eixo internuclear, como descrito na figura anterior. Assim, temos que o momento angular eletrônico é dado por: Onde Λ e Σ são as projeções do momento angular orbital e do spin, respectivamente, sobre o eixo internuclear. Assim, o momento angular total será:

17. Descrição dos estados quânticos do OH

18. Regras de seleção para transições

19. Espectro de energia vibracional A energia vibracional da molécula é dada pela aproximação do osciladora anharmômico. A contribuição das vibrações moleculares para a energia total da molécula é dada, em cm-1, por: onde ωe, ωexe, ωeye, ωeze são constantes vibracionais. Essas constantes foram calculadas por Coxon e Foster (1982), para se obter a contribuição da energia de cada estado vibracional observado no airglow.

20. Coxon e Foster (1982a,b)

21. Espectro de energia rotacional A energia rotacional para cada um dos dois estados de spin é dada pelas seguintes expressões: onde J é o momento angular total, Bv e Dv são constantes rotacionais (Dv representa a influência da força centrífuga), sendo Av a constante de acoplamento (medida de acoplamento da intensidade do acoplamento entre o spin e o momento angular orbital eletrônicos).. As constantes Av, Bv e Dv , determinadas por Coxon e Foster (1982a,b).

22. Constantes rotacionais

23. O espectro vibra-rotacional A energia vibra-rotacional, associada aos dois estados de spin (2П3/2 e 2П1/2 ) do estado eletrônico fundamental, são dadas pelas equações abaixo

24. O espectro vibra-rotacional onde i →3/2 i →1/2

25. Nomenclatura das linhas A nomenclatura das linhas obedece à regra de seleção do momento angular. Daí, surgem três ramos rotacionais: Por exemplo, a linha P1(2), indica uma transição para o segundo estado rotacional dentro do estado de spin 3/2. ΔJ = +1 → Ramo P ΔJ = 0 → Ramo Q ΔJ = -1 → Ramo R

26. J=5/2 J=9/2 R2(2) J=7/2 P1(4) J=3/2 Q2(2) J=1/2 J=5/2 Q1(2) P2(2) J=3/2 P1(2) J=7/2 J=9/2 J=5/2 J=7/2 J=3/2 J=1/2 J=5/2 F2 2Π1/2 J=3/2 F1 2Π3/2

27. Determinação do comprimento de onda • Como os comprimentos de onda obtidos são correspondentes a transições no vácuo, e o airglow ocorre no ar, então devemos fazer a correção do comprimento de onda devido à refração atmosférica. A relação entre os comprimentos de onda no vácuo e no ar é dada por: Fonte: Almanaque de ciências da Universidade de Tóquio.

28. Intensidade espectroscópica das linhas rotacionais [fótons/cm3s] população no estado excitado superior probabilidade de transição, também conhecida como coeficiente de Einstein.

29. A população rotacional A população no estado superior é determinada através da distribuição de probabilidade de Boltzmann. A intensidade é então, dada por: Função de partição rotacional

30. A condição de equilíbrio térmico Admite-se que a população nos níveis rotacionais do OH* excitado está em equilíbrio térmico com o ambiente porque o tempo médio de vida radiativa dos estados excitados do OH é suficientemente maior do que o intervalo médio de tempo entre duas colisões sucessivas do OH com os constituintes majoritários(principalmente N2) da atmosfera na região de emissão. De acordo com Nicholls et al. (1972),OH* estará em equilíbrio térmico se o número de colisões durante o tempo de vida no estado vibracional superior for maior do que cem(100).

31. A condição de equilíbrio térmico Takahashi (1981) mostrou que esse condição é satisfeita, e que portanto, a temperatura rotacional obtida a partir do airglow é representativa da temperatura atmosférica na região de emissão.

32. Os coeficientes de Einstein Nós utilizamos os coeficientes de Mies (1974).

33. Intensidade normalizada Normalmente se utiliza a intensidade normalizada, que representa a contribuição de cada linha para intensidade total da banda.

34. Espectro teórico do OH(6-2)

35. O instrumento O instrumento utilizado para medir a intensidade do airglow é denominado de Fotômetro Nosso Fotômetro !!

36. Esquema do Fotômetro

37. A fotomultiplicadora

38. O cálculo da temperatura O espectro artificial do OH(6,2) é utilizado para cálculo da temperatura.

39. A resposta do Fotômetro • A resposta do Fotômetro ao airlgow pode ser expressa, de acordo com Takahashi (1981), da seguinte forma: • O Fotômetro mede a intensidade das linhas P1(2) em λ=839.9nm e P1(4) λ=846.6 nm, além da radiação de fundo

40. A partir da expressão para a resposta do Fotômetro ao airglow das linhas P1(2) e P1(4) podemos escrever que: A cada valor dessa razão corresponde uma determinada temperatura.

41. Como saber qual a temperatura correspondente a razão entre as linhas medidas pelo Fotômetro? • A razão entre as linhas dependente monotonicamente da temperatura. • Constrói-se então, a seguinte função teórica: • Precisamos de T=T(M) • Então, construímos a seguinte função polinomial de ajuste: M(T) é monotônica!!!!

42. Com isso, determina-se os coeficientes da função polinomial de ajuste. Assim, a temperatura rotacional do OH(6-2) é obtida através da seguinte relação: Onde

43. Comportamento da temperatura entre 1998 e 2007 Periodograma de Lomb-Scargle

44. Comportamento da temperatura entre 1998 e 2007

45. Temperatura x Atividade Solar