VLBI como instrumento da geodésia e geofísica

Abstract

Resumo: A técnica de interferometria com bases muito longas (VLBI), aplicada a Geodésica e Geofísica, e descrita de forma abrangente. Esta técnica oferece a possibilidade da precisão de centímetros na medida de bases intercontinentais e uma re* - 4 ti solução angular de ate 10 . Assim, parâmetros dos movimentos rotacionais da Terra e efeitos geodinâmicos podem ser de: terminados com precisão sem precedentes e os modelos matemáticos que os descrevem, aperfeiçoados. Esta tese inicia-se com uma introdução aos elementos básicos de radio astronomia. A técnica de VLBI é então apresentada, através da analise da geometria de um interferômetro de VLBI, da definição das quantidades observáveis e da exposição do método e equipamentos empregados para obtê-las. Atenção especial é dedicada ao estudo dos fatores de influência sobre as observações de VLBI (geometria, equipamentos e meios de propagação do sinal), como base para o estabelecimento de modelos matemáticos. 0 estudo da influência da geometria sobre as observações inclui os efeitos relativísticos de primeira ordem e os efeitos dos movimentos rotacionais da Terra, de fenômenos geodinâmicos, da estrutura da antena e da estrutura complexa das fontes observadas. A influência dos equipamentos ê analisada considerando-se a instabi1idade dos padrões de frequência e o tempo de percurso do sinal desde a antena até o dispositivo de gravação. A ação da atmosfera,responsável principal pelo limite de precisão das medidas obtidas com VLBI, mereceu um estudo mais extenso, sendo os efeitos da atmosfera neutra e da ionosfera analisados separadamente Modelos matemáticos que expressam a dependência das observações em relação aos fatores descritos são apresentados , com a respectiva definição de sistemas de referência e quantidades de tempo utilizadas. A estimativa de parâmetros destes modelos no ajustamento de observações pelo método dos mínimos quadrados Õ revista. Problemas de singularidade que podem ocorrer neste processo, são discutidos, assim como os problemas de otimização de configurações para experiências de VLBI. Finalmente, são citadas as vantagens desta técnica e as precisões obteníveis em suas aplicações a Geodésica e Geofísica. Programas que a utilizam e desenvolvem e algumas experiências realizadas são descritos.

Abstract: The Very long baseline interferometry (VLBI) technique, as applied to Geodesy and Geophysics is described in a comprising way. This technique has the potencial for centimeter accuracy level in measurement of intercontinental baselines - 4 11 and angular resolution up to 10 . Determination of Earth rc) tation parameters and geodynamic effects can be made with unprecedented accuracy and consequently their mathematical models can be improved. This thesis begins with a review of fundamentals on radio astronomy. The VLBI technique is then presented through the analysis of the geometry of a VLBI interferometer, the de finition of observables and the explanation of the method and instrumentation by wich they can be obtained, with an estimation of their precisions. Special attention is placed on study of factors with influence on VLBI observations (geometry, equipaments and si£nal propagation medium), as a background for mathematical m£dels presentation. The study of geometry influence on the observations include first order relativistic effects and the effects of Earth rotation, geodynamic phenomena, antenna stru£ ture and complex radio source structure.The influence of equi£ ments is analysed, by taking into consideration the instability of frequency standards and the travelling time of the signal from the antenna to the recording device. To atmosphere influence, the main responsable for the limit on accuracy, is dedicated a more extensive study, the effects of neutral atmosphere and of ionosphere being analysed separately. Mathematical models for the dependence among observibles and the above-mentioned factors are given, with the respective definition of reference frames and quantities of time. The estimation of model's parameters by the least squares adjustment of the observations is reviewed. Singularity problems that can arise on this process are discussed and optimal design problems for VLBI experiments are also presented. Finally,applications of VLBI to Geodesy and Geophysics are described, as well as the advantages and the obtenable a^ curacy. Some programs applying and developing this technique and some performed experiences are reported.