Propagacion de ondas de radio

Articulo leido en el Programa Colombiano para Radioaficionados el domingo 10 de Julio 2016.

Las ondas de radio y la luz son formas de ondas electromagnéticas que se propaga en línea recta desde el foco que emite las ondas (un bombillo o una antena). Las ondas no pueden atravesar objetos sólidos y si las ondas arriban con cierto ángulo a una superficie solida las ondas son reflejadas y si la superficie es áspera las ondas son reflejadas en diferentes direcciones y entonces decimos que las ondas son dispersadas.

El concepto de objeto solido puede diferir entre la luz y las ondas de radio. Una pared de un centímetro de espesor no es atravesado por la luz en cambio es completamente transparente para las ondas de radio pero cuerpos masivos como puede ser una montaña o la esfera terrestre son cuerpos opacos para la luz y las ondas de radio.

Para poder observar un fuente de luz se requiere que entre la fuente y el observador no existan objetos que impidan el paso de la luz. Lo mismo sucede con las ondas de radio, se requiere que no existan objetos que bloqueen las ondas entre las antenas y el receptor.

En la práctica todos los receptores y transmisores de radio están situados sobre la superficie de la tierra. La tierra es completamente oscura para las ondas de radio por lo cual no podemos transmitir y recibir entre dos puntos opuesto de la tierra. En teoría las comunicaciones son posible al alcance del horizonte ya que las ondas no pueden atravesar la superficie de la tierra.

vlf-ionosfera

Pero, hay un comportamiento de la atmósfera terrestre que causa que las ondas de radio cuando llegan a las capas altas de la atmosfera se reflejen y retornan de nuevo a la superficie terrestre después de recorrer largas distancias. Esto permite que las ondas de radio especialmente las de altas frecuencias HF (3 a 30 Mhz o onda corta) logran comunicaciones entre cualquier dos lugares de la tierra. La capacidad de reflejar ondas de radio depende de la actividad del Sol y no es estable y hace su uso muy impredecible.

 

LA ATMÓSFERA

pppppp

La superficie de la tierra está cubierta de una fina capa de aire rico en gas oxígeno y nitrógeno que permite la existen de vida en la tierra. La densidad de la capa de aire depende de la altura sobre la superficie.

Entre 0 y 10 kilómetros de altura la capa se denomina “Troposfera”, es la zona donde se presenta los fenómenos atmosféricos como nubes, lluvias, truenos etc. Arriba de 10 Kilómetros se denomina estratosfera. En la estratosfera los átomos de aire son muy pocos pero existen, debido a que están poco cohesionados, las radiaciones recibida del Sol causan que estos átomos pierdan cargas eléctrica y se ionicen. El fenómeno es muy notable entre los 50 y 500 kilómetros de altura y esta zona se denomina “Ionosfera”.

Un gas ionizado afecta las ondas de radio. Una onda es una forma de energía y al alcanzar un atomo ionizte puede provocar mas ionización y entonces el gas absorbe la onda. Pero si los atomos están muy ionizados puede provocar que las ondas no puedan penetrar y las ondas son reflejas. Todo depende del angulo con que las ondas de radio llegan a una superficie ionizada.

Una capa ionizada tiene un comportamiento similar a un vidrio opaco en relación a la luz. Si el rayo de luz llega al vidrio perpendicular a la superficie, el rayo atravesara el vidrio pero la luz es atenuada, en cambio si el rayo llega con cierto ángulo la luz será reflejado como si fuera un espejo.

En la ionosfera se han detectado 3 tipos de capas denominadas históricamente D, E y F.

LA IONOSFERA.

La ionosfera es una capa atmosférica alta, dotada de una gran conductividad eléctrica gracias a los electrones liberados en la intensa ionización producida por la radiación solar, básicamente en las porciones ultravioleta y de rayos X de su espectro, y en menor medida por las partículas cargadas generadas por el Sol junto a los rayos cósmicos.

La ionósfera y las ondas de radio

Se extiende entre los 50 y 2000 Km de altitud sobre la superficie terrestre, dividiéndose por razones históricas en tres capas o regiones denominadas D, E y F en orden creciente de altura y concentración de electrones, cumpliendo las capas E y F el papel de reflector de las ondas radioeléctricas y siendo la capa D la principal causante de la atenuación sufrida por las mismas frecuencias de 2 y 30 MHz -HF- y la responsable también de la reflexión de las ondas de muy baja frecuencia -VLF- y extra baja frecuencia -ELF-.

Al ser su origen la radiación solar fundamentalmente, es lógico esperar, como así sucede, que la intensidad de la ionización dependa de la intensidad de dicha radiación y de la trayectoria o camino que la misma recorra a través de la atmósfera. Esto se traduce en una mayor ionización de las capas atmosféricas más altas y en una relación inversa entre la ionización medida y el ángulo solar cenital1, con un valor máximo donde éste ángulo sea cero.

Asimismo constatamos una relación directa entre las variaciones en la altura, la concentración de electrones y el comportamiento de las distintas capas ionosféricas y los cambios reflejados en la actividad solar durante el día, a través de las distintas estaciones del año y a lo largo de los sucesivos ciclos solares.

La actividad de la ionosfera en lo que a su papel dentro de la comunicación a larga distancia -CLD- le corresponde, depende de la intensidad de ionización de la misma, la cual, como ya hemos comentado, es fiel reflejo de la actividad solar. Esta a su vez mantiene una relación directa con el número de manchas solares existentes en cada momento, cuyo número varía cíclicamente con una periodicidad de 10.7 años, aunque nos referiremos en general al ciclo de los 11 años, siendo éste sólo un valor medio, pues se han registrado ciclos de 7.3 años como el más corto y de 17.1 años como el más largo [ARR92].

Un número elevado de manchas solares provoca una fuerte radiación solar con gran ionización en las capas altas de la atmósfera que es entonces capaz de devolver a la tierra frecuencias de hasta 40 MHz, mientras que por el contrario un bajo número de manchas y la baja actividad solar que le acompaña hace que descienda fuertemente la ionización, convirtiendo en prácticamente inútiles para la CLD las frecuencias situadas por encima de los 20 MHz.

Capa F: Se extiende por encima de los 130 Km y es la más alta de todas las capas que componen la ionosfera, dividiéndose durante el día en dos subcapas, la F1 o de

Appleton entre los 130-210 Km y la F2 o de Van Allen entre los 250-400

Km de altura.

 

La subcapa F1 alcanza una densidad electrónica máxima de 2·1011 e/m3, existiendo sólo durante el día, y si bien puede cumplir el papel de deflectora de algunas frecuencias, es más frecuente que actúe como atenuadora de las frecuencias que se reflejan en la subcapa F2.

 

La subcapa F2 presenta una densidad típica de electrones de 1012 e/m3 durante el día y de 5·1010 e/m3 durante la noche, siendo la principal zona deflectora responsable de la comunicación a larga distancia, con una máxima distancia de salto único de 4000

Km. Su comportamiento es difícil de modelar, debido a que está influida por los vientos, por distintos efectos electrodinámicos y por la variación de la ionización debida a la diferente radiación solar durante el día y la noche, durante el curso de las distintas estaciones del año y a lo largo del ciclo solar de los once años.

 

Capa E: También denominada de Headviside-Kennelly, está situada entre los 90-130

Km de altura sobre la tierra e incluye a la capa E normal y a las denominadas capas esporádicas E -Es-.

 

La capa normal E es homogénea y existe sólo durante la radiación solar directa, alcanzando por tanto su máximo durante el mediodía local y desapareciendo durante la noche, ya que aquí la atmósfera es todavía lo suficientemente densa para que pueda existir una gran recombinación de los iones generados por la actividad solar. Presenta por tanto una fuerte dependencia del ángulo solar cenital, con máximos en su densidad electrónica durante el verano en lo que a la variación estacional se refiere e incrementándose asimismo al aumentar el número de manchas solares. Este máximo es del orden de los 1011 e/m3 a la altura de 110 Km. Durante la noche desaparece prácticamente, quedando sólo restos de la ionización existente durante el día. Es la capa ionosférica mas baja y aún capaz de ser útil en la CLD, siendo muy adecuada para la propagación diurna a distancias menores de 2.000 Km.

 

Las capas Esporádicas-E, tienen su origen en la existencia de zonas relativamente densas de ionización situadas a unos 110 Km de altura, produciéndose únicamente en determinadas estaciones del año. No dependen de la actividad cíclica solar y son especialmente útiles en los períodos en los que la baja actividad solar deja cortada la propagación en las bandas por encima de los 21 MHz.

 

Capa D: Situada a 50-90 Km sobre la tierra. Tiene una actividad directamente proporcional a la radiación solar recibida, presentando unos valores máximos de ionización de 108-109 e/m3 inmediatamente después del mediodía local y bajando a valores muy pequeños durante la noche, manteniendo asimismo una pronunciada variación estacional. Produce un marcado efecto de absorción de toda señal que pasa a través de ella, siendo esta absorción inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia utilizada. Su incremento diurno y correspondiente disminución nocturna marcan la mínima frecuencia utilizable

-LUF- para un determinado recorrido entre dos estaciones.

 

 

 

 

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