Abstract The thermal dynamics of the upper atmosphere, especially in the mesosphere, have been improving our understanding about the effects of climate change, as well as how the dynamics and general circulation in the upper atmosphere are driven by different types of waves, such as the atmospheric gravity waves, planetary waves and atmospheric tides. In order to study the upper atmospheric temperature variability and gravity waves, several research groups have been employing the remote technique of observing the airglow emissions originated in the upper mesosphere and lower thermosphere, besides emissions from the ionosphere. INPE’s airglow group started the studies on emissions from the upper atmosphere to investigate temperature and dynamics in the mesosphere, thermosphere/ionosphere at the end of 70’s. However, only in 2001 this group sent the first airglow experiment to the Brazilian Antarctic Station Comandante Ferraz (EACF) to measure the OH (8-3) emission and temperature. From that year to 2014, several other experiments were carried out at EACF, not only to measure the temperature and airglow intensities, but also to observe gravity waves, winds and other related phenomena. This paper presents airglow experiments at EACF from 2001 to the present, including illustrations, examples of already published results, and unpublished data.

Usando imagens de aeroluminescência coletadas em São João do Cariri (7,4ºS, 36,5ºW; latitude de dipolo magnético: -11ºS) no período de setembro de 2000 a abril de 2007, foi possível calcular a deriva zonal de bolhas de plasma em noventa e sete noites geomagneticamente calmas (índice Dst maior que -30 nT). As derivas zonais médias das bolhas de plasma aumentaram das 18:00 até as 22:00 horas locais (HL) e desaceleraram em seguida. As bolhas de plasma observadas durante a atividade solar alta foram mais rápidas após as 22:00 HL. As derivas zonais de bolhas de plasma no verão, depois das 21:00 HL, foram maiores que nos meses de equinócio. Poucas noites apresentaram bolhas de plasma com derivas superiores a 100 m/s e quase todas as bolhas desapareceram depois das 02:00 HL.As derivas médias zonais observadas entre -9,5 e -5,5ºS foram praticamente constantes, principalmente, por volta das 23:00 HL.

Using airglow images observed at São João do Cariri (7.4ºS, 36.5ºW; dip angle: -11ºS) from September 2000 to April 2007, plasma bubblezonal drifts for ninety-seven geomagnetically quiet nights (Dst index higher than -30 nT) were calculated. The plasma bubble eastward averaged drifts presented an increase from 18:00 to 22:00 local time (LT), and followed by a deceleration. The plasma bubbles observed during high solar activity were faster after 22:00 LT. Eastward drifts observed during the summer, after 21:00 LT, were higher than drifts observed during the equinox months. Few nights had plasma bubble eastward drifts higher than 100 m/s and almost all bubbles disappeared after 02:00 LT. Averaged zonal drifts observed between -9.5 and -5.5ºS were almost constant, primarily,around 23:00 LT.

Neste trabalho, o parâmetro η de Krassovsky, foi utilizado para investigar as amplitudes e fases das variações periódicas das emissões de airglow do O2(0-1) e do OH(6-2). As observações foram realizadas por meio de fotômetro em Rikubetsu (43,5ºN; 143,8ºE), Japão, no período compreendido entre março de 2004 e agosto de 2005, em colaboração com o grupo do Laboratório do Ambiente Solar-Terrestre da Universidade de Nagoya (STEL-LAB). Os valores médios obtidos foram de |η| = 5,3 ± 1,7 e Φ = -40,2º± 30,6º para a emissão do O2; e |η| = 8,0 ± 4,7 e Φ = -41,9º± 41,4º para a emissão do OH. Em ambas as emissões, houve uma boa concordância dos resultados obtidos com aqueles presentes na literatura. Porém, deve ser enfatizado que os modelos concordam melhor com os valores de |η| do que para Φ. Para a emissão do OH, foram obtidos valores de |η| mais elevados do que normalmente é verificado em trabalhos experimentais. Esses resultados se ajustam muito bem ao modelo de Schubert et al. (1991), para uma onda de gravidade com comprimento horizontal de 100 km.

In this work, the Krassovsky's η parameter, was used to investigate the amplitudes and phases of periodic variations of O2(0-1) and OH(6-2) airglow emissions. The data set was obtained from photometer measurements at Rikubetsu (43.5ºN, 143.8ºE), Japan, from March 2004 to August 2005, under collaboration with STEL-LAB (Solar-Terrestrial Environment Laboratory), Nagoya University. The results showed |η| = 5.3 ± 1.7 and Φ = -40.2º± 30.6º for O2 emission, and|η| = 8.0 ± 4.7 and Φ = -41.9º± 41.4º for OH emission. There is a good agreement between the results obtained in this work with the previous results. But, it must be emphasized that the models for Φ don't predict the results as good as the models for |η|. It was found the existence of larger |η| values for the OH emission, so that there are few results in literature concerning of this high values. Comparing it with the models of Schubert et al. (1991), it was observed that they have good correlation with the model for a gravity wave with a horizontal wavelength of 100 km.

As camadas de emissão de aeroluminescência são muito importantes no estudo da mesosfera, pois elas são utilizadas para monitorar a temperatura e a atividade ondulatória nesta região. Imageadores all-sky vêm sendo utilizados para monitorar as camadas da aeroluminescência e investigar a estrutura horizontal das ondas de gravidade, bem como para observar as características destas ondas. O presente trabalho descreve a metodologia empregada para determinar os parâmetros característicos tais como, comprimento de onda horizontal, velocidade de fase, período e direção de propagação das ondas de gravidade observadas em imagens de aeroluminescência.

The airglow layers are very useful to study and monitor the temperature and wave activity in the mesosphere region. All-sky cameras have been used to observe the nightglow emissions and to investigate the gravity waves characteristics and horizontal structures. The present paper describes the methodology used to estimate the gravity wave parameters such as the horizontal wavelength, phase speed, period and propagation direction, observed in the airglow images.

Este trabalho tem como base medidas dos ventos da parte superior da mesosfera e da baixa termosfera obtidas simultaneamente através de radares meteóricos em São João do Cariri (7.4ºS, 36.5ºO) e Cachoeira Paulista (22.7ºS, 45.0ºO). As ondas atmosféricas de escala planetária com períodos próximos de 2 dias são investigadas, as quais estiveram presentes nos ventos das duas localidades durante o inverno de 2004 e verão de 2004/2005. As amplitudes das oscilações foram mais intensas na componente meridional, alcançando máximos de ~ 60 m/s na localidade equatorial e ~ 25 m/s na de baixa latitude durante o inverno. Durante o período de janeiro-fevereiro a onda de 2 dias mostrou-se similar em ambas as localidades, com amplitude máxima de ~ 50 m/s. A propagação de fase com a altura foi descendente, compatível com propagação ascendente de energia. Os comprimentos de onda verticais estimados para Cachoeira Paulista (40-67 km) foram maiores do que para São João do Cariri (30-35 km). Análises de espectro cruzado mostraram coerência significativa entre as oscilações de 2 dias nas duas localidades.Da diferença de fase entre as duas localidades verificou-se que os máximos em São João do Cariri (36,5ºO) ocorrem antes do que os de Cachoeira Paulista (45ºO), indicando propagação para a direção oeste.

Simultaneous observations of the atmospheric neutral winds in the mesosphere and lower thermosphere (MLT) by meteor radar have been carried out at São João do Cariri (7.4ºS, 36.5ºW) and Cachoeira Paulista (22.7ºS, 45.0ºW). From the wind variability we investigate the atmospheric planetary-scale quasi-two-day waves, which were present at both the sites during the winter of 2004 and summer of 2004/2005. The amplitude of the meridional component was larger than that of the zonal component, reaching a maximum value of ~ 60 m/s at the equatorial site and ~ 25 m/s at the low latitude site during the winter. During the January-February period the 2-day wave was very similar at the two sites, with a maximum amplitude of ~ 50 m/s. The phase propagation with height shows a descending mode and upward energy propagation. The vertical wavelength estimated for Cachoeira Paulista (40-67 km) was longer than for São João do Cariri (30-35 km), for all of the observed events. Cross-spectral analysis showed a significant coherence between the quasi-two-day oscillations observed at the two sites. From the phase difference between the two sites we concluded that São João do Cariri leads Cachoeira Paulista. These results denote that amplitude peak at 36.5ºW and subsequently at 45ºW, compatible with a westward propagating wave.

Perfis de temperatura obtidos pelo satélite CHAMP nos anos de 2001 a 2005 foram utilizados para determinar a atividade de ondas de gravidade na região da baixa estratosfera sobre a América do Sul. Os resultados encontrados para a energia potencial integrada, entre 24 e 34 km de altitude, mostraram uma variação interanual na atividade de ondas de gravidade, com uma maior atividade de ondas em torno da região equatorial. Para melhor avaliar a variação da atividade de ondas de gravidade, foi determinada a energia potencial média integrada entre (10ºN-10ºS) e (100ºO- 20ºO). Os resultados da energia potencial média mostraram uma variação sazonal da atividade de ondas de gravidade. O inverno foi a estação do ano com a menor atividade de ondas, enquanto que a primavera apresentou um aumento na atividade de ondas. A atividade de ondas de gravidade na baixa estratosfera, inferida através da energia potencial média, apresenta claramente um aumento nos anos de 2002 e 2004 e uma diminuição nos anos de 2003 e 2005.

Stratospheric gravity wave activities were deduced from GPS radio occultation temperature profiles obtained by CHAMP satellite between 2001 and 2005. Potential energy profiles are used to analyze the gravity wave activity over South America. The results showed an inter-annual variation of the potential energy integrated between 24 and 34 km of altitude. The gravity wave activity is more concentrated around the equatorial region. In order to evaluate the seasonal variation of the gravity wave activity, a mean potential energy was determined over (10ºN-10ºS) and (100ºW-20ºW). The results showed a lower gravity wave activity during winter time, while during spring time the mean potential energy showed an increase in the wave activity. The results of the mean potential energy also showed that the gravity wave activity in the lower stratosphere exhibits a higher wave activity during 2002 and 2004 and a lower wave activity during 2003 and 2005.

O espectro de ondas na alta atmosfera tem sido revelado por uma variedade de técnicas de sensoriamento remoto ótico. Muitas destas perturbações apresentam períodos variando de 5 minutos a algumas horas e escalas horizontais que variam de dezenas a milhares de quilômetros e são devidas a livre propagação de ondas de gravidade e marés atmosféricas. Observações óticas das características espacial e temporal destas ondas na região ( ~ 80-100 km) da mesosfera e baixa termosfera (MLT) utilizam a variação da aeroluminescência atmosférica. Este trabalho descreve o estado da arte das técnicas que utilizam o imageamento via CCD para detectar estas ondas através das variações provocadas na intensidade e temperatura. Medidas de um imageador de céu todo (All-sky, 180º) são usadas parar determinar as características de ondas de pequena escala e curto período ( < 1 hora) e investigar a sazonalidade da direção propagação destas ondas, como também o depósito de momento na região da MLT. Estes resultados são comparados com medidas da temperatura atmosférica realizadas usando um novo sistema de imageamento de mapeamento da temperatura mesosférica capaz de determinar variações nas amplitudes da temperatura provocadas pelas ondas de gravidade através da investigação da variabilidade noturna da temperatura mesosférica.

A variety of optical remote sensing techniques have now revealed a rich spectrum of wave activity in the upper atmosphere. Many of these perturbations, with periodicities ranging from ~ 5 min to many hours and horizontal scales of a few tens of km to several thousands km, are due to freely propagating atmospheric gravity waves and forced tidal oscillations. Passive optical observations of the spatial and temporal characteristics of these waves in the mesosphere and lower thermosphere (MLT) region ( ~ 80-100 km) are facilitated by several naturally occurring, vertically distinct nightglow layers. This paper describes the use of state-of-the-art ground-based CCD imaging techniques to detect these waves in intensity and temperature. All-sky (180º) image measurements are used to illustrate the characteristics of small-scale, short period ( < 1 hour) waves and to investigate their seasonal propagation and momentum impact on the MLT region. These results are then contrasted with measurements of mesospheric temperature made using a new temperature mapping imaging system capable of determining induced temperature amplitudes of a large range of wave motions and investigating night-to-night and seasonal variability in mesospheric temperature.

Neste trabalho será apresentada uma metodologia para calcular a temperatura na alta mesosfera usando a emissão da luminescência atmosférica do OH (6-2). O sistema imageador de temperatura consiste de uma câmera CCD e um sistema óptico (incluindo um filtro de interferência, uma lente Fresnel e a objetiva), instrumento este que foi desenvolvido pelo grupo de Luminescência Atmosférica do INPE em São José dos Campos, Brasil. A calibração do instrumento foi realizada no Instituto Nacional de Pesquisa Polar, Japão, usando uma esfera integradora de 2 m de diâmetro. As primeiras observações de temperatura e intensidade do OH (6-2) foram feitas no Observatório de Cachoeira Paulista (22.7ºS), Brasil, de Março a Maio de 2005, e os resultados foram comparados com os obtidos por um fotômetro zenital de filtro inclinado (MC2) que operou no mesmo local. Alguns resultados são apresentados e comparados com o modelo atmosférico de temperatura, MSISE-90, mostrando uma boa concordância com os valores médios noturnos, porém diferindo com relação à variabilidade noturna.

In this work we present a methodology to calculate the temperature in the upper mesosphere using a spectral OH (6-2) airglow temperature imager. The temperature imager system consists of a CCD camera and an optical head (including an interferometer filter, Fresnel lens and objective lens) which was developed by Airglow group of INPE in São José dos Campos, Brazil. The instrument calibration was performed at National Institute of Polar Research, Japan, using a 2 m diameter integrating sphere. The airglow test observations were carried out at Cachoeira Paulista Observatory (22.7ºS), Brazil, from March to May 2005, and the results were compared to that obtained by a tilting-filter zenith photometer (MC2) at the same place. Some results are presented and compared with MSISE-90 atmospheric temperature model, which showed a good agreement in the nocturnal mean values, while exhibiting a different nocturnal variability.

A aeroluminescência do sódio mesosférico ocorre quando o átomo de sódio decai do estado excitado ²P para o estado ²S emitindo na linha D em lambda = 589.3 nm. Medidas da intensidade noturna da emissão têm sido realizadas por um fotômetro multicanal instalado em São João do Cariri (7,38ºS; 36,54ºw) desde 1998. Neste trabalho foi analisada uma série de dados obtidos no período de 1998 a 2003, com o objetivo de estudar o comportamento sazonal da emissão e suas possíveis relações com a emissão do OH (6,2) e com a atividade solar. As análises mostram que a emissão caracteriza-se por uma forte variação semi-anual com máximos nos equinócios e mínimos nos solstícios, estando estes resultados em concordância com outros estudos realizados em regiões equatoriais. A dependência da emissão do NaD com a atividade solar mostrou uma concordância durante a ascensão e o declínio do ultimo ciclo solar, porém, durante o pico da atividade solar houve discrepâncias. Por outro lado, as emissões do NaD e do OH (6,2) mostraram ter aspectos semelhantes nas suas respectivas variações sazonais.

The mesospheric sodium airglow emission occurs when the sodium atom decays from the excited level ²P to the level ²S, emitting at the line D in lambda = 589.3 nm. Measurements of the emission's nocturnal intensity has been carried by a multichannel photometer installed in São João do Cariri (7,38ºS; 36,54ºw) since 1998. This work analyzed a data set corresponding to a period from 1998 to 2003, in order to study the emission's seasonal comportment. The analyses showed a strong seasonal variation. The results are in accordance to other studies completed at equatorial regions. The relationship between solar activity and NaD emission showed a correspondence during ascension and descension of the solar activity, but discrepancies arise during peak of the solar activity. On the other hand, the NaD and OH (6-2) showed similar aspects in their respective seasonal variation.

A atmosfera terrestre é um sistema que comporta oscilações periódicas as quais contribuem de maneira significativa na dinâmica da região da alta mesosfera e baixa termosfera. O fato das marés atmosféricas desempenharem um papel importante na dinâmica da média e alta atmosfera já é bem conhecido, e o propósito deste estudo é contribuir para um melhor entendimento acerca das oscilações diurna e semidiurna na região equatorial, utilizando para tanto os ventos meteóricos obtidos entre agosto de 2004 e agosto de 2005 sobre São João do Cariri, Brasil (7ºS, 36ºO). A partir da análise destes dados foi possível observar que os ventos médios, assim como as oscilações diurnas e semidiurnas, apresentaram além da variação temporal uma variabilidade em função da altura, tanto para a componente zonal como para a meridional. Os ventos médios na direção zonal mostram uma estrutura que é caracterizada por uma oscilação semi-anual, apresentando um escoamento para oeste na maior parte do tempo. Já o escoamento médio na direção meridional apresenta amplitudes menores do que as do zonal e apresenta uma oscilação anual. Em geral, as amplitudes das marés diurnas e semidiurnas para a componente meridional do vento foram maiores do que para a componente zonal. Os comprimentos de onda verticais das oscilações diurnas e semidiurnas foram determinadas a partir das estruturas de fase e apresentaram valores entre 20 e 30 km para a componente meridional. No caso das variações semidiurnas, os comprimentos de onda vertical calculados foram de 50 a 70 km durante os equinócios, quando as amplitudes da componente meridional foram mais intensas.

The terrestrial atmosphere is a dynamical system in which periodic oscillations are present and play a significant role in the dynamics of the upper mesosphere and low thermosphere (MLT). It is already well known that atmospheric tides play an important role in the dynamics of the MLT region, and the purpose of this study is to extend our knowledge of diurnal and semidiurnal oscillations in the equatorial MLT, taking advantage of the measurements of meteor winds over São João do Cariri, Brazil (7ºS, 36ºW), obtained from August 2004 to August 2005. In a preliminary analysis, we have observed that both zonal and meridional wind components exhibited variability with respect to both time and height. The prevailing zonal wind shows a structure characterized by a semiannual oscillation (SAO) and are westward most of the time. The prevailing meridional wind is weaker than the zonal and exhibit an annual cycle. Diurnal and semidiurnal meridional wind oscillations also exhibit time and height variability. In general, the diurnal and semidiurnal amplitudes for the meridional wind component were larger than that for the zonal component.From the phase structures, it was found that the vertical wavelength of the diurnal variations exhibited values from 20 to 30 km for the meridional wind component, whereas for the semidiurnal oscillation they were between 50 and 70 km during equinoxes when the meridional amplitudes were stronger.

A temperatura rotacional das bandas da OH(8-3) e OH(6-2) foram medidas e comparadas utilizando dois fotômetros de filtro inclinável, em Cachoeira Paulista (23ºS, 45ºO) no ano de 1999. A temperatura rotacional foi determinada através da razão entre as linhas rotacionais P1(5) and P1(3) para o caso da banda (8-3) e entre as linhas rotacionais P1(4) e P1(2) para a banda (6-2). Os coeficientes de Einstein publicados por Mies (1974), Langhoff et al., (1986) e Turnbull & Lowe (1989) foram utilizados para o cálculo da temperatura e seus resultados foram comparados. Os resultados encontrados mostram que as temperaturas das bandas OH(8-3) e OH(6-2) são similares, dentro da margem de erro, quando os coeficientes de Einstein de Langhoff et al. foram utilizados.

The airglow OH (8-3) and (6-2) band rotational temperatures were measured and compared using two scanning photometer at Cachoeira Paulista (23ºS, 45ºW) in 1999. The rotational temperature were obtained from the ratio between the P1(5) and P1(3) in the case of the (8-3) band and P1(4) and P1(2) lines for the (6-2) band. Three different Einstein coefficients, of Mies (1974), Langhoff et al., (1986) and Turnbull & Lowe (1989) were used and compared between them. It was shown that both the temperature did agree well with in an error range when the Langhoff et al.'s coefficients were used.