Refratometria atmosférica

Se não tivéssemos uma atmosfera no planeta, o índice de refração seria constante e a propagação das ondas não sofreria desvios. Porém, temos uma atmosfera e o gradiente vertical do índice de refração provoca desvios na propagação das ondas. Ao longo desta publicação serão apresentados os métodos empíricos pelos quais se obtém a mensuração da refratividade e sua influência no posicionamento aparente dos objetos celestes.

O termo refração astronômica é usado para descrever os efeitos de curvatura do raio de luz para o caso em que o observador (por exemplo, com um telescópio) está dentro da atmosfera da Terra e o alvo (por exemplo, estrela ou planeta) está fora.

Quando mais próximo do horizonte, maior a massa de ar entre o observador e o objeto celeste, e consequentemente maior será o efeito de refração. a figura acima mostra a refração atmosférica nula no zênite e gradativamente crescente à medida que a altura dos objetos celestes diminui. Sendo assim: a estrela Z é vista na direção Z’, a estrela A é vista na direção A’, B na direção B’ e H na direção H’.

O mesmo princípio se aplica no experimento deste vídeo, quando o laser é posicionado perpendicularmente ao fundo do aquário não ocorre o desvio da luz, que analogamente seria a posição zenital de um astro.

Tycho Brahe foi o primeiro a medir o efeito astronômico da refração atmosférica adequadamente. Sua técnica foi baseada na trajetória aparente do Sol, cuja posição real era precisamente previsível, para assim determinar o desvio provocado pela refração. Registrou as diferenças entre suas posições medidas e previstas para um conjunto completo de altitudes solares para construir suas tabelas. Publicou suas descobertas em 1596, no livro “Epistolae astronomicae“.

Trecho da página 44 do livro “Epistolae astronomicae“

O trabalho de Tycho Brahe estabeleceu um novo padrão de objetividade em ciência empírica. Visando uma precisão observacional de um minuto de arco, foi levado a introduzir correções de refração atmosférica para registrar com precisão a posição dos objetos celestes.

https://astro.unl.edu/classaction/images/ancientastro/arcseconddiagram.html

Tabela de refração atmosférica mensurada por Tycho Brahe
Para comparação, a curva em linha representa dados de refração modernos.

Ao longo do tempo tornou-se necessária a preditividade do efeito de refração, permitindo assim a criação de tabelas náuticas, aumento na eficiência dos radares, precisão nos levantamentos geodéticos, etc. Os vários elementos meteorológicos que atuam diretamente na refratividade atmosférica, tais como a temperatura, umidade e pressão, podem ser obtidos com do estudo do perfil vertical atmosférico, cujos dados são coletados através da utilização de equipamentos como Radar, LIDAR, radiossonda, entre outros.

Radar

A velocidade na qual as ondas eletromagnéticas viajam entre um radar e um alvo depende da refratividade atmosférica entre estes dois pontos. Radares modernos possuem precisão suficiente para registrar pequenas mudanças no tempo que um sinal de radar leva para viajar até um alvo fixo e voltar.
Essas mudanças estão relacionadas a pequenas perturbações no índice de refração causadas por mudanças na umidade, temperatura e pressão.

Este método foi executado pelo JS Marshall Radar Observatory, e descrito neste artigo: On the Extraction of Near-Surface Index of Refraction Using Radar Phase Measurements from Ground Targets e expandido num estudo da American Meteorological Society e descrito neste artigo: Meteorological Value of Ground Target Measurements by Radar

Os dados coletados pelo observatório estão disponíveis para consulta no site
https://radar.mcgill.ca/imagery/vertix.html
https://radar.mcgill.ca/imagery/weather-station.html

Um método semelhante utilizando radares aerotransportados foi executado por G. A. Robertshaw no programa JSTARS e descrito neste artigo: Range Corrections for Airborne Radar – a Joint Stars Study. Abaixo outras pesquisas efetuadas ao longo da história da refratometria por radar:

LIDAR Atmosférico

LIDAR atmosférico é uma classe de instrumentos que usa luz laser para estudar as propriedades atmosféricas desde o solo até o topo da atmosfera. Esses instrumentos têm sido usados para estudos, entre outros, de gases atmosféricos, aerossóis, nuvens e temperatura.

A utilização do LIDAR na determinação da refratividade atmosférica:

Rede de Radiossondas

Radiossonda é um instrumento de telemetria alimentado por bateria carregado para a atmosfera geralmente por um balão meteorológico que mede vários parâmetros atmosféricos e os transmite por rádio para um receptor terrestre. As radiossondas modernas medem ou calculam as seguintes variáveis: altitude, pressão, temperatura, umidade relativa, leituras de raios cósmicos em grandes altitudes e posição geográfica (latitude / longitude). a variedade chamada “rawinsonde” também se aplica na coleta da velocidade e a direção do vento.

Os dados coletados pelas radiossondas são recebidos por estações terrestres, cuja função é processar e armazenar os dados para utilização em pesquisas e previsões.

O IGRA (Integrated Global Radiosonde Archive) consiste numa base de dados de radiossonda em mais de 2.700 estações distribuídas globalmente. Os primeiros dados datam de 1905, e os dados recentes tornaram-se disponíveis quase em tempo real

Fabricantes de radiossondas:

Os dados de radiossondas permitiram que pesquisas sobre a refratividade da atmosfera fossem desenvolvidas, dentre elas temos:

Métodos diversos

Determinação por imagens de “time-lapse”

Determinação do perfil de refratividade atmosférica através da ocultação visual

Patenteado pela Boeing sob o número US8345115B2

FIG. 2a – ilustra a mudança na posição do horizonte visualizado pela aeronave devido à refração na atmosfera;
FIG. 2b – ilustra a posição angular de imageamento do horizonte em relação à orientação horizontal da aeronave quando há pouca ou nenhuma refração pela atmosfera;
FIG. 2c – ilustra a posição angular imageada do horizonte em relação à orientação horizontal da aeronave quando há maior refração pela atmosfera;

Determinação empírica da refração atmosférica total
em comprimentos de onda centimétricos por meios radiométricos

O estudo consiste no uso de um sextante radiométrico para rastrear
o Sol durante seu trajeto aparente no céu, registrando os valores observados do ângulo de altitude do Sol em certos horários precisamente determinados ao longo do dia. Os resultados da observação de cinco meses são apresentados em gráficos da refração média, seu desvio padrão e um erro padrão de estimativa para ângulos de altitude especificados entre 2 e 65 graus.

Empirical Determination of Total Atmospheric Refraction
at Centimeter Wavelengths by Radiometric Means

Efeitos refrativos no sensoriamento remoto da atmosfera com espectroscopia de transmissão infravermelha

Utilização da técnica de “ray tracing” que inclui a refração atmosférica para tabular a massa de ar, temperatura e pressão efetivas de camada única para um raio de luz solar. Perfis atmosféricos do Verão e inverno são usados com altitudes de observador variando de 10 a 50 km em passos de 1 km. Ângulos do zênite variando de 80 ° a 97 ° são considerados.

Refractive effects in remote sensing of the atmosphere with infrared transmission spectroscopy