A ABORDAGEM DAS BOLHAS DE PLASMA NO ENSINO MÉDIO E A APLICAÇÃO DE CONCEITOS DE FÍSICA BÁSICA

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## A ABORDAGEM DAS BOLHAS DE PLASMA NO ENSINO MÉDIO E A APLICAÇÃO DE CONCEITOS DE FÍSICA BÁSICA

Igo Paulino da Silva [igo@df.ufcg.edu.br] a

Amauri Fragoso de Medeiros [afragoso@df.ufcg.edu.br] a Ricardo Arlen Buriti da Costa [rburiti@df.ufcg.edu.br] a Ana Roberta da Silva Paulino [arspaulino@hotmail.com] b Fernanda de Sousa Sales a [fernandagen@ig.com.br]

a

Universidade Federal de Campina Grande b Universidade Estadual da Paraíba

Atualmente, no ensino de ciências, já existe uma preocupação em abordar assuntos relacionados com a atmosfera terrestre, tais como efeito estufa, el niño, depreciação da camada de ozônio e outros que têm afetado as condições de equilíbrio do planeta, porém, a atmosfera da Terra, principalmente a atmosfera superior (acima de ~80km), ainda é muito desconhecida. Entender a atmosfera terrestre nesta região, sua dinâmica e composição têm sido objeto de estudo e interesse para muitos cientistas e pesquisadores, pois os fenômenos físicos que acontecem nesta parte da atmosfera influenciam os processos de dinâmica e circulação geral da atmosfera. Neste trabalho apresentamos um dos mais importantes fenômenos que ocorre na ionosfera noturna terrestre (~200km de altitude) conhecido como bolhas de plasma ou bolhas ionosféricas. As bolhas surgem na base da região F da atmosfera e sobem não-linearmente até centenas de quilômetros de altitude. Elas possuem dimensões variáveis que podem chegar até 5000 km de extensão ao longo das linhas de campo magnético da Terra e são observadas por diversas técnicas dependendo do objetivo de estudo. Estas bolhas de plasma atrapalham as comunicações via satélite, acarretando problemas nos sistemas de navegação via GPS e de comunicação. Como os processos de geração e propagação das bolhas estão ligados a conceitos de física básica que fazem parte dos currículos da maior parte das escolas de ensino médio do Brasil, entendemos que estas podem vir a ser abordadas pelos professores de física fazendo assim um elo dos conteúdos vistos em sala de aula com fenômenos que acontecem na atmosfera.

(Menezes et al., 2000).

## INTRODUÇÃO

A Lei de Diretrizes e Bases da Educação Nacional (LDB) já estabelece que o ensino deve promover:

'A compreensão dos fundamentos científicos e tecnológicos dos processos produtivos, relacionando a teoria com a prática no ensino de cada disciplina', lado a lado com 'a preparação básica para o trabalho e a cidadania'.

Esses documentos trazem uma perspectiva para formação de um novo ensino médio voltado para um ensino que, de acordo com os Parâmetros Curriculares Nacionais PCN's, deve sempre ser voltado para o dia-a-dia e para preparar o cidadão do futuro. Mesmo com essas novas tendências no sistema educacional, ainda observamos um ensino muito tradicional, onde os conceitos de física básica são trabalhados pelos professores em aspectos puramente conceituais e matemáticos Marcelo Gleiser, a respeito disso, escreveu que:

'A física é um processo de descoberta do mundo natural e de

suas propriedades, uma apropriação desse mundo através de uma linguagem que nós, humanos, podemos compreender...'.

G1eiser et al. (2000).

Assim, para que haja uma aprendizagem significativa é preciso haver uma decodificação do fenômeno estudado e isto pode ser ajudado quando colocamos situações que acontecem espontaneamente na natureza para os alunos. Pensando neste aspecto e tendo em mente o professor como pesquisador, (Marandino et al., 2003), apresentamos, neste trabalho, uma proposta de estudo de um importante fenômeno que se desenvolve na atmosfera terrestre noturna conhecido por bolhas de plasma como aspecto de contextualização dos conceitos estudados em física básica e o desenvolvimento de um conhecimento científico. Para isso vamos explicar o que são as bolhas de plasma, quais são os principais mecanismos de geração e de propagação e qual a importância de estudá-las no ensino médio, fazendo uma associação dos conceitos necessários para o estudo das bolhas com os conteúdos estudados no ensino médio.

## O QUE SÃO BOLHAS DE PLASMA?

O plasma é chamado freqüentemente o "quarto estado de matéria" e consiste num estado distinto que contém um número significante de partículas eletricamente carregadas que afetam as propriedades elétricas e o seu comportamento. As bolhas consistem em irregularidades no plasma ionosférico tropical e constituem regiões onde a densidade do plasma é drasticamente reduzida. Elas começam a se desenvolver após o pôr-do-sol e sobem nãolinearmente depois de perturbações iniciais na base da região F. As bolhas possuem dimensões variadas e variam da ordem de metros até ordem de centenas de quilômetros e podem ser observadas por diversas técnicas que dependem do objetivo de estudo, comumente as bolhas de plasma são estudas a partir de dados de radares, satélites, foguetes, sistemas de posicionamento global GPS, ionossondas e airglow.

Pimenta et al. (2003).

Para os alunos do ensino médio o estudo das bolhas de plasma é uma oportunidade de aplicar o conhecimento adquirido na disciplina de física num fenômeno que acontece na alta atmosfera. Quando o professor usa o artifício de trazer conteúdos contextualizados do campo de pesquisa, onde o conhecimento é adquirido através de observações e modelagens do que se observa, ele passa a visão para o aluno de que a ciência é um processo de produção de conhecimento e este processo depende, simultaneamente, de uma observação cuidadosa dos fenômenos e da invenção de teorias que confiram sentido àquelas observações segundo escreveu Rutherfor et al. (1995) . As bolhas possuem dimensões variadas e variam da ordem de metros até ordem de centenas de q uilômetros e podem ser observadas por diversas técnicas que dependem do objetivo de estudo, comumente as bolhas de plasma são estudas a partir de dados de radares, satélites, foguetes, sistemas de posicionamento global GPS, ionossondas e airglow. Na Figura 1 temos um exemplo de bolhas de plasma (estrias escuras) observadas por um imageador na emissão do OI 6300Å em São João do Cariri (7°23'27'S; 36°31'58'W) no dia 17 de Outubro de 2001

Figura 1 - Imagem do airglow mostrando bolhas de plasma (estrias escuras).

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## MECANISMOS DE GERAÇÃO E DINÂMICA DAS BOLHAS DE PLASMA

Pimenta et al. (2003) , escreveu que o plasma ionosférico sofre influências na sua dinâmica devido ao campo magnético terrestre, a gravidade, as colisões com a atmosfera neutra e, principalmente, devido aos campos elétricos que são gerados nesta região. Os principais mecanismos de geração das irregularidades são

a deriva B x E r r e a teoria de instabilidade Rayleigh-Taylor (RT).

A deriva eletromagnética B x E r r é utilizada para explicar o efeito do campo magnético da Terra B r e dos campos elétricos E r , gerados na ionosfera, sobre o transporte das partículas carregadas. A ionosfera é considerada uma região de dínamo constante, ou seja, o campo elétrico é gerado na região E, durante o dia, pelos ventos neutros de marés e é gerado, à noite, pelo vento termosférico na região F.

Pimenta et al. (2003. pp 55).

A velocidade de deriva B x E r r é um exemplo de uma força semelhante a força de Lorentz ou força magnética sobre uma carga em movimento estudada no eletromagnetismo pelos estudantes do ensino médio. Segundo Tipler (2000. vol 2. pp 179) a força de Lorentz é sempre perpendicular ao campo magnético em questão e direção de deslocamento da carga, ou seja:

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Onde: q é a carga, v r é vetor velocidade e B v é o vetor campo magnético.

O nosso caso é muito semelhante e pode ser uma nova alternativa para o professor mostrar a casos semelhantes ao da força de Lorentz acontecem na natureza com espontaneidade e não somente no tubo de raios catódicos (o que geralmente é usado nos laboratórios para os alunos comprovarem a força de Lorentz). A Figura 2 nos ajudar a entender melhor o transporte do plasma na ionosfera.

Figura 2 - Na esquerda, Ilustração da deriva eletromagnética do plasma durante o dia. Na direita Ilustração da deriva eletromagnética durante a noite. Obs: O círculo com um x circunscrito representa o campo magnético entrando no plano do papel.

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Como, durante o dia, o campo elétrico gerado pelos ventos neutros de marés é na direção oeste-leste e o campo magnético é dirigido para o norte a deriva B x E r r provoca um deslocamento para cima no plasma. Por outro lado, durante a noite como o campo elétrico é gerados pelos ventos termosféricos, ele possui direção oposta e a resultado da deriva B x E r r é um deslocamento do plasma para baixo. Outro ponto que pode ser aproveitado aqui é o conceito de dínamo, ou gerador de corrente, que como vimos a ionosfera é um constante dínamo por causa da separação de cargas elétricas nesta região por efeitos colisionais e/ou da radiação solar.

Com a Figura 3 podemos ter uma noção de como as bolhas são geradas e o que consiste a teoria de instabilidade Rayleigh-Taylor (RT).

Figura 3 -Crescimento da instabilidade Rayleigh-Taylor na base da região F.

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A instabilidade RT é mecanismo capaz de explicar as irregularidades na região F equatorial pelo efeito da força gravitacional na presença do campo magnético.

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Neste mecanismo o que acontece é o seguinte: Depois do pôr-do-sol, na região E inicia-se um processo de recombinação entre os íons, por haver cessado a fonte de energia que estava causando dissociação entre os constituintes (radiação solar), e não há condutividade necessária para curto-circuitar os campos da região F, o gradiente de ionização começa a aumentar na parte inferior da camada F. Quando a camada estiver suficientemente alta (devido a efeitos eletrodinâmicos) ou o gradiente de ionização estiver suficientemente grande para superar os efeitos da recombinação, ocorrerá flutuações na densidade do plasma devido a instabilidade RT e essas flutuações dão origens as bolhas de plasma na base da região F que sobem não-linearmente governada pelo

r

movimento da deriva B x E . O mecanismo de instabilidade Rayleigh-Taylor requer alguns conceitos básicos, estudados em física, para que possa ser entendido e é um bom objeto de estudo para quem quer enxergar a física numa visão contextualizada como propõe:

r

Assunção et al. (1995) e Rutherford et al. (1995).

A princípio, para os alunos, o mecanismo pode parecer um tanto quanto estranho e pode ser difícil para eles imaginarem uma substância com uma densidade maior em cima de outra substância com uma densidade menor, cabe, então, segundo Lopes (1993. pp 325) , para o professor intermediar esse aprendizado propondo que os alunos imaginem, por exemplo, uma porção de mercúrio, em equilíbrio, por sobre uma porção de água. Agora será fácil perceber que qualquer toque na base do mercúrio será suficiente para levar a água para sua posição natural (por apresentar uma densidade menor. Ver Tipler 2000. vol 1. pp 349) em cima do mercúrio. No caso das bolhas de plasma já existe um consenso que o mecanismo RT é o responsável pela origem das flutuações, as causas iniciais que provocam a instabilidade, ainda não estão bem estabelecidas.

Pimenta et al. (2003).

As bolhas de plasma são desenvolvidas, principalmente, em baixas latitudes próximas ao equador magnético e isto faz com que os efeitos das bolhas atinjam, em especial, mais consideravelmente o Brasil. Um dos efeitos marcantes das bolhas de plasma é a interferência em sinais de telecomunicações via satélite como, por exemplo, navegação do GPS e de interrupções momentâneas em sinais de comunicações. Outro ponto positivo no estudo das bolhas é que o entendimento de sua dinâmica ajuda a compreensão da circulação geral da atmosfera e o transporte global de massa atmosférica. Para os alunos da 3ª série do ensino médio que já adquiriram esses conceitos na disciplina de física, o contato com esse conhecimento ajuda a minimizar o analfabetismo científico e mostra para eles

como a ciência é construída na sociedade, além de dar a oportunidade para que lês percebam a importância dos conteúdos que estão sendo ministrados nas aulas de física para a comunidade científica.

Apoio: Este trabalho é financiado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Tecnológico (CNPq)

## REFERÊNCIAS

ASSUNÇÃO, Maria Madalena Silva de,. Magistério primário e cotidiano escolar. Campinas: Autores Associados, 1995.

GLEISER, Marcelo,. Por que ensinar Física? Revista Física na Escola. vol 1, nº 1. Suplemento da Revista Brasileira de Ensino de Física. Outubro de 2000. pp 45.

LOPES, A. R,. Contribuições de Gaston Bachelard ao ensino de ciências. In: Enseñanza de las ciencias 11 (3). 1993. pp 324-330.

MARANDINO, Martha,. A prática de ensino nas licenciaturas e a pesquisa em ensino de ciências: Questões atuais. In: Caderno Catarinense de Ensino de Física. Vol 20. nº 2 Florianópolis: Agosto de 2003. pp 195-207.

MENEZES, Luis Carlos de,. LDB - Uma Física para o novo ensino médio. In: Revista Física na Escola. Vol 1. n° 1. Suplemento da Revista Brasileira do ensino de Física. Outubro de 2000. pp 25.

PIMENTA, A. A. Estudos da deriva zonal e Dinâmica das Bolhas de Plasma na região tropical. São José dos Campos. Tese (Doutorado em Geofísica Espacial) -Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), 2003.

RUTHERFOR, F. James &amp; Ahlgren, Andrew. Ciências para todos. Lisboa, Gravida, 1995.

TIPLER, Paul A. Física para cientistas e engenheiros. 4ª edição. Volume 1 e Volume 2. LTC: Rio de Janeiro - RJ, 2000.