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www.ubthenews.com/topics/ionosphere.htm 2 O AIRGLOW O AIRGLOW é uma luminosidade natural emitida continuadamente na alta atmosfera por átomos e moléculas.

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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. 3

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. 4

5 5

6 6

7 Perfil vertical das emissões 7

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

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

10 Reações químicas Bandas de Meinel da hidroxila 10

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. 11

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: E e > E vib > E rot 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 ) 12

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 ; 13

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

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. 15

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: 16

17 Estados quânticos Nº QuânticoDescrição Momento angular orbital Λ = 1 estado Π SpinΣ = +1/2 Σ = -1/2 Momento angular eletrônico Ω= Λ+ Σ = 3/2 Ω= Λ+ Σ = 1/2 Caso a) de Hund (N<10) Momento angular rotacional N = 0, 1, 2,...Caso a) de Hund (N<10 Momento angular totalJ= Ω+N =3/2, 5/2,...23/2 J= Ω+N =1/2, 3/2,...21/2 Estado 2 Π 3/2 Estado 2 Π 1/2 Vibraçãoυ = 0, 1, 2,..., 9Máximo para o airlgow é υ=9 Descrição dos estados quânticos do OH 17

18 Regras de seleção para transições Tipo de transiçãoRegras de seleção ΔΛΔΛ=0, ±1; ΔΛ=0 para o airglow ΔΣ 0 2 Π 3/2 i=1 2 Π 1/2 i=2 ΔJ +1: J J+1 0: J J -1: J J-1 Δυ 0, ±1, ±2, ±3, ±4, … Ex.: υ= 6 υ=2; Δ υ=4: Banda OH(6-2) 18

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 ω e, ω e x e, ω e y e, ω e z e 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. 19

20 υEnergia vibracional (cm -1 ) 01847, , , , , , , , , ,783 Coxon e Foster (1982a,b) 20

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

22 Constantes rotacionais νA v (cm -1 )B v (cm -1 )D v x10 -3 (cm -1 ) Y( ν )=A v /B v

23 O espectro vibra-rotacional A energia vibra-rotacional, associada aos dois estados de spin ( 2 П 3/2 e 2 П 1/2 ) do estado eletrônico fundamental, são dadas pelas equações abaixo 23

24 O espectro vibra-rotacional 24 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 P 1 (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 25

26 P 2 (2) R 2 (2) Q 2 (2) P 1 (4) Q 1 (2) P 1 (2) J=1/2 J=3/2 J=5/2 J=1/2 J=3/2 J=5/2 J=7/2 F1F1 F2F2 2 Π 3/2 2 Π 1/2 J=7/2 J=9/2 26

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. 27

28 Intensidade espectroscópica das linhas rotacionais população no estado excitado superior probabilidade de transição, também conhecida como coeficiente de Einstein. [fótons/cm 3 s] 28

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 29

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 N 2 ) 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). 30

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. 31

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

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

34 Espectro teórico do OH(6-2) 34

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

36 Esquema do Fotômetro 36

37 A fotomultiplicadora 37

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

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 P 1 (2) em λ=839.9nm e P 1 (4) λ=846.6 nm, além da radiação de fundo 39

40 A partir da expressão para a resposta do Fotômetro ao airglow das linhas P 1 (2) e P 1 (4) podemos escrever que: A cada valor dessa razão corresponde uma determinada temperatura. 40

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!!!! 41

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 42

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

44 Comportamento da temperatura entre 1998 e

45 Temperatura x Atividade Solar 45


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