Los principales efectos de la ionosfera en una señal en banda L

Las señales de los satélites GNSS atraviesan la atmósfera y sus capas, entre ellas plasmasfera, ionosfera y troposfera, donde los principales efectos ionosféricos en las señales de radio en banda L dependen del Contenido Total de Electrones libres en la ionosfera (TEC). Algunos efectos provocados por la ionosfera en una señal de radio son:

(a) Retardo en la señal (hasta una o varias decenas de metros) (b) Centelleo en fase y de amplitud

-Rotación Faraday o efecto Faraday -Curvatura del rayo

-Contribución al efecto Doppler (c) Dispersión

(d) Refracción (e) Absorción

(a) Las señales GNSS se retardan en tiempos variables dependiendo de la densidad de las partículas ionizadas en la ionosfera. En general los cambios solares aumentan la variación espacial y temporal del Contenido Total de Electrones (TEC), los cuales causan centelleos ionosféricos adicionales en fase y amplitud.

(b) El fenómeno ionosférico que es conocido como centelleo (fluctuaciones rápidas de amplitud y fase) en ocasiones son fuertes, puede dar como resultado la pérdida

El fuerte centelleo puede interrumpir las señales de satélite, pero no afecta simultáneamente áreas amplias de la ionosfera sino que ocurre en partes limitadas. En general afecta solamente a unos pocos satélites a la vista de un usuario. Las pérdidas de seguimiento de la señal debidas al centelleo son de corta duración, pero pueden ocurrir reiteradamente durante varias horas. Esas pérdidas posiblemente pueden causar que el servicio GNSS se degrade o se pierda temporalmente. Un medio de mitigación es la capacidad del receptor de volver a adquirir rápidamente una señal del satélite después de un suceso de centelleo. El centelleo afecta todas las frecuencias del GNSS de manera que los receptores de multifrecuencia no proporcionen una protección mayor. Otra forma de mitigación es el uso de múltiples constelaciones. Si el receptor es capaz de realizar el seguimiento de más satélites la probabilidad de interrupción de servicio se reduce considerablemente, debido a que más satélites no se verían afectados. El centelleo es virtualmente inexistente en las latitudes medias, excepto a niveles de bajo a moderado. El fuerte centelleo es bastante más común en las regiones ecuatoriales, donde ocurre normalmente después de la puesta de Sol y antes de la medianoche local. El centelleo moderado ocurre con frecuencia en las regiones de

latitudes elevadas [45].

(c) Dispersión – el fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al

atravesar un material, en este caso el material es todo lo que compone la ionosfera y las distintas frecuencias son las que se consideraran más adelante. Desde el punto de vista químico, el aire es una dispersión gaseosa de oxígeno en nitrógeno. Así mismo, la niebla es una dispersión del agua en el aire. El arco iris, el halo y los espejismos son foto meteoros, causados por la dispersión de la luz por las gotas de agua o los finísimos cristales de hielo que contiene la atmósfera en la zona donde se producen estos fenómenos.

En la dispersión ocurre el retardo en la propagación de la señal que está en función de la frecuencia, cuando la señal pasa por la ionosfera se produce dispersión. Los retardos a través del ancho de banda son proporcionales a la

densidad de electrones a lo largo del trayecto del rayo. Por lo tanto, para un

contenido de electrones de el/ , una señal con una longitud de pulso de

1 microsegundo mantiene un retardo diferencial de 0,02 ms a 200 MHz, mientras que en 600 MHz el retraso sería sólo de 0,00074 ms.

(d) Refracción - Cuando las ondas de radio se propagan de forma oblicua a través de la capa de la ionosfera se someten a la refracción, que produce un cambio en la dirección de llegada del rayo.

(e) Absorción - Para las regiones ecuatoriales y de latitudes medias, las ondas de radio con frecuencias superiores a 70 MHz aseguran la penetración de la ionosfera sin absorción significativa, mientras que para las frecuencias inferiores a 70 MHz es significativa la pérdida por la absorción ionosférica.

El retardo ionosférico puede compensarse utilizando frecuencias GNSS dobles. Dado que los efectos dependen de la frecuencia, el uso de dos frecuencias permite que los receptores GNSS detecten y calculen estos retardos ionosféricos. En un medio dispersivo como la ionosfera, la velocidad de fase difiere de la velocidad de grupo. La velocidad de grupo describe la velocidad de la envoltura de un grupo de ondas electromagnéticas. Los gases ionizados en la ionosfera causan el cambio de las fases de las ondas electromagnéticas. El avance de fase conduce a una velocidad de fase mayor que la velocidad de la luz. Esto no contradice el postulado de la característica universal de la velocidad de la luz de Einstein, ya que no se transmite información por una sola onda electromagnética. El avance de fase y el retardo de grupo son iguales en tamaño pero diferentes en el proceso de muestreo. En términos prácticos, el código de pseudodistancia se hace más largo

3.3 El Sol

EL Sol es una estrella de tamaño medio denominada estrella enana, que proporciona luz y calor, es considerada como una fuente de energía para la Tierra y el sistema solar, la cual hace posible todo lo que hay en la Tierra. El Sol libera una cantidad de energía de la magnitud de las bombas atómicas, la cual causa un maremoto de partículas cargadas de calor que van dirigidas a la Tierra y se consideran como tormentas solares. El Sol se puede ver de distintas formas desde los rayos x hasta la luz ultravioleta, debido a que diferentes longitudes de onda tienen diferentes temperaturas. Los científicos también han podido observar al

interior del Sol mediante una técnica llamada Heliosismología [50].

La Heliosismología utiliza las mismas propiedades del astro para estudiar su actividad interna, debido a que el Sol no es un cuerpo sólido, sino una bola gigante compuesta de gas súper caliente y electromagnético que se denomina plasma. El Sol oscila, vibra así que al medir su frecuencia de oscilación, se puede inferir su estructura interna, pero si se observa el Sol en un largo tiempo con esta técnica se pueden observar sus capas y turbulencias que originaran efectos de corrientes e incluso dan una idea de la cara oculta del Sol, esta técnica también se usa para determinar las manchas solares ocultas. La apariencia física de las capas mostrada por esta técnica y de las manchas solares se ilustra en la figura 3.8 donde se observa que el Sol está compuesto principalmente de tres partes.

(a) Fotosfera, o superficie visible;

(b) Cromosfera, la región brillante por encima de la fotosfera, (c) Corona, la atmósfera exterior del Sol

El Sol se compone principalmente de los elementos hidrógeno y helio junto con elementos más pesados en cantidades más pequeñas, en particular de calcio.

Figura 3.8 Representación de las capas solares y manchas solares

Se produce un flujo de energía constante denominado viento solar que reparte energía no solamente al planeta Tierra sino también al sistema solar que es capaz inclusive de cortar colas de cometas que estén a su alcance.

La corona es más caliente que la fotosfera y la cromosfera, es decir a mayor lejanía de la superficie del Sol existe más calor. Mientras que las zonas más oscuras o manchas solares ocupan cientos de kilómetros, dichas manchas son las regiones más frías del Sol y emiten menos luz. Las manchas solares aparecen en la superficie solar y son fáciles de detectar, aunque su origen provenga del interior del Sol y de su compleja rotación.

El Sol no rota como un cuerpo sólido, sino que rota más rápido por la zona del ecuador que la de los polos, esto da lugar a las manchas solares, el ecuador completa una rotación en 25 días, en las zonas de las altitudes medias en 30 días y en las zonas de los polos en 35 días, a este proceso se denomina rotación diferencial y hace que el interior del Sol se mueva a diferentes velocidades

El intenso campo magnético que se entremezcla en el interior del astro y el que se encuentra en la superficie, impiden el paso proveniente de las corrientes del plasma interior del Sol, esto genera una mancha solar. Las manchas solares son más propicias a existir en el ecuador y en latitudes medias como se muestra en la figura 3.9. Las manchas solares son zonas oscuras que aparecen en la superficie del Sol, mostrándose a veces en grupos que cubren una zona de hasta 160 000 Km de diámetro.

Figura 3.9 Rotación diferencial del Sol

Las manchas solares afectan a la intensidad de radiación solar que incluyen las ondas ultravioletas. Durante los periodos de gran actividad de las manchas solares, la radiación del Sol aumenta y da lugar a una mayor ionización. Las manchas solares no son fenómenos que se encuentren de forma independiente del Sol, ya que están acompañadas de las llamaradas solares y estas llamaradas solares por Eyecciones de Masa Coronal (CME) como se muestra en la figura

3.10 [50]. Una llamarada solar se produce cuando la energía que se ha acumulado

alrededor de las manchas solares. Cuando existe una llamarada intensa casi

siempre estará correlacionada con la Eyección de Masa Coronal [25].

Figura3.10 Manchas solares y llamarada solar [23].

Los dos fenómenos a veces ocurren al mismo tiempo, la llamarada solar se define como un repentino destello de luz, esta luz sólo tarda 8 minutos en llegar a la Tierra, mientras que la Eyección de Masa Coronal es la liberación de materia en forma de una inmensa nube de partículas de plasma magnetizadas al espacio. Las Eyecciones de Masa Coronaria empujan el campo magnético de la Tierra hacia los polos terrestres y cuando estas partículas deslizadas reaccionan con el oxígeno y

nitrógeno forman las auroras boreales australes [23]. Las eyecciones de masa

coronal son como látigos que liberan mucha energía muy rápido y la energía que desprende el Sol puede provocar alteración en el entorno de la Tierra así como alterar los satélites y Sistemas de Posicionamiento Global. La Tierra está rodeada