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No dia 14 de outubro, milhões de pessoas nas Américas do Norte, Central e do Sul observaram através de óculos de segurança e outros dispositivos de visualização o Sol parcialmente obscurecido. Simultaneamente, milhares de pessoas vivenciaram o eclipse solar anular de uma forma diferente: por meio de transmissões enviadas e recebidas por rádios amadores.
Antes, durante e depois do eclipse, os operadores de rádio amador enviaram sinais da ionosfera e conectaram-se a pessoas a centenas ou milhares de quilômetros de distância. A experiência, parte da NSF e da Ham Radio Science Citizen Investigation (HamSCI) da NASA, está reunindo centenas de milhares desses contatos para investigar como a ionosfera responde à perda temporária de luz solar durante um eclipse.
“Esta é a nossa maneira de detectar remotamente a ionosfera.”
“Esta é a nossa maneira de detectar remotamente a ionosfera”, disse Nathaniel Frissell (indicativo de chamada W2NAF), físico espacial e engenheiro elétrico da Universidade de Scranton (W3USR), na Pensilvânia, e principal organizador do HamSCI. “As pessoas fazem isso há cerca de 100 anos e é gamificado”, disse ele. “Usamos essa ideia para criar um concurso de rádio amador que seria na verdade um experimento científico.”
Dobrando Através do Ar
A ionosfera da Terra, entre 80 e 600 quilômetros acima do solo, é um canal natural para a comunicação por rádio e a navegação. Suas partículas carregadas dobram o caminho das ondas de rádio em um arco, permitindo-lhes viajar ao redor da curvatura do planeta, do transmissor ao receptor.
A ionosfera é mais densa durante o dia, à medida que a luz solar de alta energia ioniza as moléculas na atmosfera, e se divide em quatro subcamadas distintas segregadas por densidade e fração de ionização, explicou Frissell. Uma ionosfera densa ajuda as transmissões de rádio a percorrer distâncias mais longas e torna as comunicações mais claras.
À noite, os elétrons se recombinam com íons positivos para formar moléculas neutras, continuou Frissell, diminuindo a porcentagem de moléculas ionizadas e reduzindo o número de subcamadas para apenas duas. A densidade mais baixa e menos subcamadas significam que algumas frequências de rádio serão enfraquecidas à medida que viajam, algumas mudarão para frequências mais altas ou mais baixas (Efeito Doppler) e outras poderão passar completamente pela ionosfera.
Dependendo de sua frequência, as ondas de rádio irão refratar as diferentes subcamadas, que estão em altitudes diferentes, afetando o alcance do sinal. Essa dependência torna as redes de comunicação de rádio de ondas curtas ou de alta frequência uma excelente ferramenta para sondar as flutuações da ionosfera.
“Um eclipse é como uma noite temporária”, disse Frissell, permitindo aos cientistas testar se a escuridão temporária tem o mesmo efeito na ionosfera e nas comunicações de rádio que a noite.
O HamSCI foi desenvolvido por operadores de rádio amador que também são físicos espaciais, cientistas atmosféricos e engenheiros de comunicação. Os organizadores usam o rádio amador para compreender melhor a física ionosférica e sua resposta ao clima espacial, investigar como os distúrbios ionosféricos afetam as comunicações de rádio amador e aumentar a conscientização e a participação na comunidade global do hobby.
Gamificando um Eclipse
Os operadores de rádio amador participam de concursos praticamente desde o advento do hobby, há 100 anos, disse Kristina Collins (KD8OXT), membro do conselho consultivo do HamSCI e engenheira elétrica do Instituto de Ciências Espaciais em Cleveland. Durante as competições, os radioamadores, como são chamados os operadores, competem para fazer o máximo de contatos, ou QSOs, que puderem dentro das diretrizes do concurso. Os operadores enviam seus registros de comunicações aos organizadores do concurso e os contatos que atendem aos parâmetros ganham pontos.
“Como meu amigo KJ4HNN gosta de dizer: ‘Você conversa com o maior número de pessoas possível, o mais rápido possível e o mínimo possível, e vê quem consegue obter os pontos mais altos’”, brincou Collins.
O HamSCI realizou sua primeira reunião de QSO do Eclipse Solar (SEQP) durante o Grande Eclipse Americano de 2017. Antes, durante e depois do eclipse, o HamSCI reuniu 570 registros que continham quase 30.000 contatos nas frequências de 1,8, 3,5, 7 e 14 megahertz. Quase 5.000 indicativos de chamada exclusivos em todo o mundo participaram. Esses dados ajudaram a equipe a entender como o eclipse total enfraqueceu a ionosfera e prejudicou a comunicação por rádio.
O grupo queria repetir o sucesso de 2017 durante o eclipse solar anular de 2023 que atravessou as Américas. Eles montaram outro SEQP, fizeram a chamada e convidaram todo e qualquer radioamador para participar. Dada a trajetória do eclipse, a equipe HamSCI estava especialmente interessada em obter a participação de radioamadores que operavam fora da América do Norte.
“O Brasil está localizado próximo ao equador magnético”, disse Edson Pereira (PY2SDR). Lá, as bolhas de plasma na ionosfera criam muita distorção nos sinais de rádio, inclusive nas ondas curtas, explicou. Pereira é engenheiro de sistemas de computação e membro do conselho da Liga de Amadores Brasileiros de Rádio Emissão (LABRE), a associação nacional de radioamadores do Brasil.
O monitoramento das comunicações de rádio de ondas curtas ao longo do caminho do eclipse na América do Sul poderia ajudar os cientistas a entender melhor como as bolhas de plasma se formam e influenciam a atmosfera circundante e melhorar a comunicação por satélite perto do equador magnético.
Resultados de 2023
Segundo Frissell, ninguém ainda havia usado dados de rádio amador para estudar a resposta ionosférica a um eclipse anular. Os participantes do HamSCI não sabiam que resposta ionosférica, se é que haveria alguma, eles conseguiriam ver. No topo de sua lista de questões científicas: “O eclipse anular pode ser observado em comunicações de alta frequência?” Frissell perguntou.
A resposta veio rapidamente e foi um sonoro sim! À medida que o eclipse começou a colapsar localmente as subcamadas da ionosfera, a distância que uma onda teve que percorrer para alcançar a ionosfera mudou. Este Doppler mudou a frequência antes de chegar ao receptor, e esse Efeito Doppler apareceu muito claramente nos dados preliminares.
A resposta a outras questões científicas – sobre a dimensão e a duração da perturbação ionosférica, como as diferentes camadas da ionosfera responderam e se as comunicações do eclipse se assemelham às captadas ao amanhecer e ao anoitecer – terá que esperar até que os participantes do concurso enviem seus registos de comunicação.
“Quando minha estação estivesse transmitindo, obteríamos facilmente 500 relatórios de recepção globalmente em um período de 15 minutos.”
As estatísticas de participação parecem promissoras, disse a equipe. Uma contagem durante o concurso mostrou 8.300 receptores ativos em todo o mundo, captando mais de 3.000 relatórios por segundo. “Quando minha estação estivesse transmitindo, obteríamos facilmente 500 relatórios de recepção em todo o mundo em um período de 15 minutos”, disse Frissell.
Os logs do SEQP são auto-relatados; poucos dias após o eclipse, 139 registros foram enviados, cada um contendo potencialmente centenas de contatos. “Provavelmente haverá mais novidades”, disse Frissell. “Ainda não enviei meu log SEQP!”
Repetindo o Experimento
O SEQP 2023 foi um dos vários eventos que o HamSCI planeja realizar como parte de seus Festivais de Ciência Ionosférica de Eclipses (Festivals of Eclipse Ionospheric Science “Um eclipse é a coisa mais próxima que você pode chegar de um experimento controlado no espaço”, disse Collins. “Esse é o apelo.”
Afinal, os experimentos devem ser repetíveis. Há um concurso SEQP para o eclipse total solar de abril de 2024, e o HamSCI tentará ver se a ionosfera responde da mesma maneira (perto do máximo solar) como fez em 2017 (perto do mínimo solar), disse Frissell.
Cada concurso também oferece oportunidades para a equipe interagir com os alunos e aumentar o interesse pelo rádio amador. Muitos operadores de rádio amador se envolveram com o hobby quando eram jovens e, para alguns, isso os levou a buscar uma educação STEM (ciência, tecnologia, engenharia, e matemática) . “Isso fornece um cânone STEM realmente sólido que foi resumido em um treinamento muito direto”, disse Collins.
—Kimberly M. S. Cartier (@AstroKimCartier), Escritora da Equipe
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