Efecto de la Ionosfera

1. Efecto de la Ionosfera Descripción de la Ionosfera. Modelo de Plasma Simple. Influencia del Campo Magnético Terrestre. Refracción Ionosférica Ionogramas Modelos de Propagación Ionosférica. Cálculo de Enlace.

2. Descripción de la Ionosfera • La ionosfera es la región de las capas altas de la atmósfera (60- 400 Km de altura) que debido a su ionización, refleja las señales radioeléctricas hasta unos 30 MHz. • La ionización, presencia de electrones libres, se produce fundamentalmente por las radiaciones solares en las bandas de ultravioletas y rayos X. También contribuye a la misma otros fenómenos como los rayos cósmicos y los meteoritos. • La densidad de electrones varía así según la hora del día y la estación del año. La radiación también varía siguiendo el ciclo de las manchas solares (11 años). • La densidad de electrones varía con la altura y presenta determinados máximos relativos, llamados capas, debido a que: • En las zonas más altas la densidad de átomos y moléculas es baja. La energía de radiación exterior es grande pero hay pocos átomos disponibles para ionizar. • Al descender, las radiaciones ionizan los gases y su energía se absorbe gradualmente. • En las zonas más bajas los electrones e iones desaparecen puesto que la recombinación predomina sobre la ionización al ser mayor la densidad de partículas. • Por otra parte, a partir de los 100 Km de altura, la composición de la atmósfera varía ya que los gases se estratifican. Como cada gas (N2, O2, O, N) absorbe la radiación a partir de un cierto nivel energético, la densidad de ionización varía con la altura. presentando los distintos máximos locales (capas)

3. Capas Ionósfericas Densidad de electrones libres con la altura

4. Características Generales de la Propagación Ionosférica. • Ionosfera es una capa con distintos grados de ionización y de densidad electrónica a través de la altura. • Los máximos de la densidad de electrones corresponden con mínimos del índice de refracción. • La variación del índice de refracción es negativa con la altura lo que hace que los rayos se curven hacia la tierra. • El hecho de que se pueda llegar a producir una reflexión total posibilita que el rayo vuelva a la tierra y que puedan existir comunicaciones a larga distancia.

5. Variación de la Presión y Concentración con la Altura • Expresión de la presión parcial de cada gas: • Ecuación de los gases perfectos: • Variación de la presión con la altura: • Haciendo uso de la relación entre presión y concentración y considerando que la altura de escala del gas es independiente de h, se puede poner la concentración a una altura h0: • Para una columna de altura h y sección unidad la concentración resulta: (1) (2) (3) (4) (5)

6. Efecto de la Radiación Solar en la Ionosfera. • Penetración de la radiación ionizante: • Intensidad de radiación en una columna de sección unidad y altura h: • Tasa de producción de iones: • Pérdida de partículas cargadas por recombinación • Existe un equilibrio dinámico en donde hay una tasa de iones que desaparecen por unidad de tiempo y volumen. • Se cumplen diversas leyes de recombinación: • La frecuencia crítica es proporcional a la raíz de la máxima concentración de iones • Las capas interiores se ven menos afectadas por la radiación solar por el efecto del apantallamiento de las superiores.

7. Modelo de Plasma Simple • La propagación de las ondas electromagnéticas en la ionosfera se modela como la propagación en un plasma simple y frío: • Región del vacío (0 y 0) que contiene electrones libres en la que se puede despreciar el movimiento térmico de los electrones. • En un plasma con  colisiones electrón-partículas (átomos, moléculas, iones, etc) por segundo, la velocidad de un electrón sometido a las fuerzas del campo electromagnético de una onda plana y del campo magnético estático terrestre H0 vale: Despreciando de momento el efecto de H0: La amplitud compleja de la velocidad del electrón vale: Con E variando sinusoidalmente

8. Modelo de Plasma Simple • La corriente electrónica equivalente en el plasma de densidad N electrones/m3 es: • En definitiva el plasma presenta una permitividad eqy una conductividad eq : • Para frecuencias tales que /eq<<1 (plasma de bajas pérdidas) la onda se propaga con una constante de fase  y una constante de atenuación : HF (2) (1)

9. Aplicación a la Ionosfera: Atenuación de la Capa D (h80 Km, Ndía109 /m3 , Nnoche107 /m3106/s)

10. Consideraciones • Dependencia con la frecuencia: • A la frecuencia crítica del plasma hay reflexión para cualquier ángulo de incidencia ya que N llega a ser tan alto como para hacer n=0. • A frecuencias mayores depende del ángulo de incidencia. • Para la misma frecuencia rayos más rasantes se reflejan más abajo. • Para un mismo ángulo de incidencia las frecuencias mayores se reflejan más arriba • A frecuencias superiores a la crítica hay un margen de distancias para las que no llega ningún rayo. Esa distancia es la llamada distancia de salto. • Para un punto fijo hay una frecuencia que le hace estar a la distancia de salto. Se denomina máxima frecuencia utilizable, MUF.

11. n3 3 n2< n1 2 1 n1< n0 n0=1 0 Refracción Ionosférica. Frecuencias Críticas • El índice de refracción disminuye con la altura h: • Considerando un medio estratificado en planos paralelos un rayo incidente procedente de Tierra se curva hacia ésta de acuerdo con la Ley de Snell: • Se alcanza una trayectoria horizontal (retorno a Tierra) cuando i=90º: • En el caso de una incidencia vertical 0=0º: de modo que existirá una “reflexión total” dentro de cada capa para aquellas frecuencias que sean inferiores, en orden creciente, a las frecuencias críticas de cada una

12. Ionosfera Capa F2 B 0max hv(fcF2) 300 Km A Tierra a=6370 Km O Refracción Ionosférica.Máxima Frecuencia Utilizable MUF • Cuando la incidencia no es vertical la frecuencia máxima que retorna de cada capa i depende del ángulo de incidencia 0: ley de la secante: • Como el máximo ángulo de incidencia en la ionosfera (0max) se obtiene para una elevación =0º en Tierra (A), la frecuencia más elevada que retorna a Tierra, corresponde a la capa F2, y vale aproximadamente:

13. Ionogramas • Para incidencia vertical se define la ALTURA VIRTUAL (hv) como: La del punto ideal en que se produciría la reflexión para el mismo tiempo de propagación, si la velocidad fuese constante e igual a la de la luz en el vacío • Se mide utilizando radares pulsados (sondas radioeléctricas) de frecuencia (f) variable, que miden el tiempo de propagación (), de ida y vuelta, de emisiones verticales. • Un IONOGRAMA representa la variación de la altura virtual con la frecuencia. • Los desdoblamientos (aparición del rayo extraordinario X) son causados por la anisotropía que imprime el campo magnético terrestre a la ionosfera.

14. hv R T d Curvas de Transmisión • Lugar geométrico de los puntos (hv, fv) que satisfacen la geometría y la ley de la secante para una frecuencia oblicua y distancia determinada. • Para una d fija tomando f como parámetro se obtienen las curvas de transmisión intersecando con el ionograma (hv, fv) correspondiente. • Se observa: • Hay una frecuencia para la que se produce tangencia entre las curvas: MUF o JF. • Para f oblicua > MUF la curva es secante a (hv, fv). Esto supone que hay dos caminos, separados pocos grados, para alcanzar esa distancia: rayo superior y rayo inferior. • El rayo superior se atenúa más por tener mayor recorrido y atenuación específica. • Características de atenuación: • Depende de la concentración y de la frecuencia de colisiones: alcanza un máximo en la zona inferior de la capa E y cerca de la altura de reflexión. • Disminuye al aumentar la frecuencia.

15. E B z0 D A C 0 h T P R Modelo de Propagación Ionosférica para Tierra Plana. • Ley de la Secante • La altura virtual hv de una emisión a frecuencia f y ángulo de incidencia 0 es la misma que le corresponde a la frecuencia fv en incidencia vertical, si se cumple: • Máxima Frecuencia Utilizable (MUF) • Factor de Máxima Frecuencia Utilizable (MUFF) • Frecuencia óptima de trabajo (OWF): decilo inferior de los valores de la MUF de explotación Límite del Modelo: Altura virtual hv= PE Altura real: PB=z0+h Modelo de Tierra Plana Alcance d=TR

16. Influencia del Campo Magnético TerrestreRotación de Faraday • La influencia del campo magnético terrestre depende de la orientación de E respecto de H0. (Vease transparencia TYP-3-7). Sin excesivo detalle: • Si la onda se propaga perpendicular a H0 y E está polarizado también según H0 el término evx0H0 =0 , no se produce efecto alguno. • En cualquier otra caso la presencia del campo magnético imprime un movimiento de rotación a los electrones. • Para el caso en que la propagación sea a lo largo de H0 el movimiento circular es de radio r, con una velocidad de: • v=Hr=2fHr, siendo fH la frecuencia de rotación o frecuencia giromagnética que se puede obtener igualando: • fH varía entre 0,7 y 1,9 MHz según el punto de la Tierra. • Cuando se tiene en cuenta este efecto giratorio de los electrones, la constante dieléctrica compleja c, toma dos posibles valores, teniendo por lo tanto carácter tensorial: (1)

17. Predicción de las MUF (I, parámetros geográficos) • Datos necesarios para la predicción de las MUF: • Datos geográficos de los terminales: longitud (W-, E+) y latitud (N+, S-). • Datos de efemérides:hora, día y mes del año de la predicción. • Datos de actividad solar: media móvil de manchas solares para la predicción. • Parámetros geográficos del circuito: • Arco de círculo máximo: • Longitud del circuito: • Acimut del trayecto: • Puntos de control: • Propagación por capa E: • d<2000 km, un solo punto en el medio. • d>2000 km, dos puntos situados a 1000 km de TX y RX. • Propagación por capa F2: • Determinación de dmáx (4000 km) y número de saltos: • Determinación de los puntos de control

18. Predicción de las MUF (II, parámetros de efemérides) • Parámetros de efemérides:

19. E 0 hv D Ionosfera  P T R a=6370 Km Tierra  O d=TR=Alcance Cálculo del Enlace:Camino de Propagación y Ángulo de Emisión. Pérdidas del Enlace: Angulo de Emisión : Camino de Propagación TER: • Gt y Gr: ganancias de las antenas • Ls: pérdidas de espacio libre=20log(/4TER) • Li: pérdidas de la ionosfera hvAltura media ionograma para la capa considerada (E: 110 Km, F1:225 Km, F2:325 Km F:300 Km)

20. Ionosfera 0min Ondas Ionosféricas Zona de Cobertura Zona de Sombra Onda de Tierra Radiodifusión de Onda Corta: Zona de Sombra • Para radiodifusión a distancias medias se utilizan frecuencias inferiores a la frecuencia crítica de la capa F2 asegurando el retorno sobre toda la zona de cobertura. • Para conseguir cobertura a gran distancia es necesario utilizar frecuencias más altas que las anteriores, próximas a la MUFF2. En este caso aparece una zona de sombra, sin señal, entorno al transmisor. • El límite de la zona de sombra se obtiene a partir de la hv de la capa F2 y del ángulo 0min , obtenido a su vez de: