Analysis and prediction of space weather events and their impacts on satellite communication systems

Abstract

Os eventos de clima espacial podem afetar a operação de sistemas tecnológicos modernos dos quais a humanidade depende atualmente, incluindo redes de energia elétrica, veículos espaciais, comunicação por ondas de rádio e sistemas de navegação. Portanto, qualquer nova informação que nos ajude a prever e entender melhor os fenômenos do clima espacial e seus impactos em nossa infraestrutura e serviços é do maior interesse. Nesse contexto, este manuscrito apresenta os resultados da investigação de diferentes fenômenos do clima espacial, abordando principalmente os distúrbios ionosféricos propagantes de larga escala (Large Scale Travelling Ionospheric Disturbances, LSTIDs), as subtempestades (avaliadas aqui por meio do índice de eletrojato auroral (Auroral Electrojet, AE) e os efeitos da rotação de Faraday e da cintilação na comunicação por satélite na banda UHF. Na primeira parte deste manuscrito, é realizada uma análise estatística dos LSTIDs observados em médias latitudes na região Européia durante a fase descendente do ciclo solar 24. Além disso, é apresentada uma investigação sobre os possíveis índices derivados de dados de GNSS que podem servir como precursores para a ocorrência de LSTIDs. Os resultados indicam que o índice AATR (Along Arc TEC Rate) e os gradientes ionosféricos são candidatos promissores que podem auxiliar o monitoramento em tempo real de tais distúrbios. Esse manuscrito também apresenta metodologias para prever as subtempestades e os LSTIDs usando dados de vento solar coletados no Ponto Lagrangiano L1. Para prever o índice AE, é proposto um modelo de rede neural artificial feed-forward, e os resultados sugerem que a irradiância solar pode não influenciar as estimativas. Além disso, os resultados mostraram que as informações combinadas do campo magnético interplanetário (Interplanetary Magnetic Field, IMF) e da velocidade do vento solar fornecem as melhores estimativas do índice AE. As informações do IMF são, no entanto, dominantes quando comparadas à velocidade do vento solar. Com relação aos LSTIDs, diferentes metodologias são investigadas visando permitir a previsão de tais distúrbios sobre a região europeia usando dados de vento solar. Nesse caso, é proposto um novo modelo que, de acordo com o melhor conhecimendo do autor, é o primeiro modelo desenvolvido para a predição do nível de atividade dos LSTIDs. A última parte deste manuscrito é dedicada à investigação dos efeitos da rotação de Faraday e da cintilação ionosférica no planejamento da missão AlfaCrux, que é uma missão educacional e de rádio amador coordenada pelo Laboratório de Simulação e Controle de Sistemas Aeroespaciais da Universidade de Brasília, Brasil. Como o Brasil está localizado em uma região com alta ocorrência de bolhas e irregularidades no plasma ionosférico, a avaliação do risco de interrupção da comunicação devido à cintilação ionosférica é essencial para o planejamento e o uso eficiente do canal de comunicação. Nesse cenário, é proposta uma nova metodologia para avaliar o risco de interrupção da comunicação com base na análise de risco da teoria da decisão. A metodologia proposta pode ser útil não apenas para a missão AlfaCrux, mas para qualquer outra missão de comunicação por satélite que opere na faixa de frequência UHF. As principais contribuições da pesquisa apresentada neste manuscrito são, portanto, o aprimoramento da compreensão desses fenômenos de clima espacial e seus respectivos impactos, e o desenvolvimento de estratégias para prevê-los.