fera
El mecanismo de la reflexi´on y refracci´on de las ondas radioel´ectricas por la ionos- fera es por mucho, una funci´on de la frecuencia. A bajas frecuencias, por ejemplo inferiores a 100 KHz, el cambio en la densidad de iones y electrones a lo largo de una longitud de onda es tan grande que la capa presenta virtualmente una discon- tinuidad abrupta del medio. En estas circunstancias las reflexiones pueden tratarse del mismo modo que la reflexi´on de ondas en la superficie de un diel´ectrico que pueda o no tener p´erdidas. Por otra parte, en el extremo superior de la banda de frecuencias, la longitud de onda es suficientemente peque˜na para que la densidad de ionizaci´on cambie ligeramente en tal distancia. En tales condiciones la ionosfera puede tratarse (por m´etodos ´opticos bien conocidos) como un diel´ectrico con un ´ındice de refracci´on variable en un modo continuo. Para las frecuencias intermedias
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entre estos extremos es posible tratar la regi´on de reflexi´on como si consistiera de varias capas delgadas discretas, teniendo cada una de ellas una densidad de ioni- zaci´on constante, aunque distinta, de las capas adyacentes. De ah´ı que la onda se refracte parcialmente. La onda refractada penetra en la segunda capa, en la que parcialmente se refleja y parcialmente se refracta, y as´ı sucesivamente. En este caso la sen˜nal reflejada resultante puede considerarse como la suma de las reflexiones de las distintas capas de zona ionizada. Como sufren grandes atenuaciones, estas frecuencias intermedias son de menos inter´es pr´actico, y s´olo se tratar´an las corres- pondientes a los dos primeros casos.
Al tratarse de un gas ionizado o plasma, el ´ındice de refracci´on de la ionosfera es, en buena aproximaci´on, una funci´on de la forma
n =
s
1−80.5 N
f2 (45)
dondeN representa el n´umero de electrones libres por metro c´ubico yf esla frecuen- cia de la onda que la atraviesa3. Para una frecuencia dada, el ´ındice de refracci´on
disminuye con la altura en las capas bajas de la ionosfera, debido al aumento que se produce en la cantidad de electrones libres.
Generalmente la ionosfera se representa en forma esquem´atica como la sucesi´on de un conjunto de capas superpuestas, lo suficientemente delgadas para poder con- siderar que en cada una de ellas el ´ındice de refracci´on es constante. La trayectoria descrita por una onda plana en un medio de estas caracteristicas aparecen repre- sentadas en las figuras 4 y 5. Est´an determinadas por la ley de Snell, la cual debe cumplirse en las superficies de separaci´on entre capas contiguas. Considerando
n0 ≈1 en el borde de la ionosfera, resulta
sen θ0 =n1sen θ1 =n2sen θ2 =· · ·
3
Para valores de f <√80.5N,el ´ındice de refracci´ones una magnitud compleja. En este caso, el medio se comporta como un conductor. Para valores def >√80.5N,nes una funci´on real. En este caso, la ionosfera se comporta como un diel´ectrico, con la salvedad que esn <1
3 Radiopropagaci´on en la Ionosfera 29
Figura 4: Deflexi´on sufrida por una onda plana al cruzar una sucesi´on de capas homog´eneas de ´ındice de refracci´on decreciente
y as´ı sucesivamente. Es decir, la cantidad nisen θi permanece constante a lo largo
de la trayectoria y su valor viene determinado por sen θ0. Teniendo en cuenta que
el ´ındice de refracci´on es cada vez menor a medida que la onda se adentra en la ionosfera, el ´angulo de incidencia aumenta progresivamente al pasar de una capa a la siguiente. El resultado es que aparece en la figura 4. Si en alguna de ellas se cumple la condici´on
ni < sen θ0
se produce la reflexi´on total de la onda, al ser sen θi > 1 (figura 5).
Llamemosnmin al valor m´ınimo que toma el ´ındice de refracci´on en la ionosfera.
Este valor se alcanza donde la concentraci´on de electrones libres es m´axima (capa de Heaviside), de acuerdo a la relaci´on
nmin = s
1−80.5Nmax
f2
Figura 5: Cuando en alguna de las capas se alcanza el valor del ´angulo cr´ıtico se produce la reflexi´on total de la onda y ´esta es devuelta a tierra con el mismo ´angulo con el que entra
θ0 en relaci´on a la vertical del suelo sufrir´a reflexi´on total si se cumple la condici´on
sen θ0 > s 1−80.5Nmax f2 o, lo que es lo mismo f < √ 80.5Nmax cosθ0
Seg´un este resultado y teniendo en cuenta que se cumple 06cosθ0 61, una onda
cuya frecuencia sea f <√80.5Nmax ser´a devuelta a tierra por la ionosfera, indepen-
dientemente del ´angulo con el que llegue. Por el contrario, si esf > √
80.5Nmax
cos θ0
, la onda se transmitir´a al espacio exterior. En este ´ultimo caso, la ionosfera posibilita la comunicaci´on c´osmica (teniendo en cuenta que el n´umero de electrones libres var´ıa entre 1010y 1012 por m3, la frecuencia empleada para este prop´osito debe ser mayor
de 9 MHZ); en el primero, facilita la radiocomunicaci´on terrestre a larga distan- cia (lo cual agradecieron enormemente los pioneros de la radio, que trabajaban con transmisores de unos pocos KHz).
4
Implementaci´on de la Herramienta de Estimaci´on
de la Atenuaci´on de las Ondas de Radio en la
Ionosfera
4.1
Adquisici´on de datos
Para analizar el efecto producido por la ionosfera ante la presencia de una onda electromagn´etica, es necesario conocer con antelaci´on par´ametros como la frecuen- cia de colisiones ν, la concentraci´on electr´onica N, para las diferentes alturas de la ionosfera y por supuesto, la frecuencia de oscilaci´on del fen´omeno ondulatorio. Para poder contar con datos preliminares de estos par´ametros ionosf´ericos se tom´o en consideraci´on las figuras 6 y 7 de [Kravchenko, 1998].
Figura 6: Concentraci´on Electr´onica en la Ionosfera
En la ionosfera se distinguen tres importantes dominios, las cuales se denotan como D, E y F. Los llaman tambi´en “estratos”. El estratoF a menudo se divide en dos partes F1 y F2. La figura 6 muestra una distribuci´on un poco idealizada
es mucho m´as alta, en la noche los estratos F1 y F2 no tienen una frontera bien
definida y la frontera inferior de la ionosfera sube hasta la altura de 100 Km, al mismo tiempo el dominioDdesaparece. Dependiendo de la actividad solar (ciclo de 11 a˜nos), estaci´on del a˜no y hora la distribuci´on var´ıa. Los l´ımites de la variaci´on del m´aximo de la concentraci´on electr´onica est´an marcados con la cruz de flechas en la figura 1. Los factores principales de la ionizaci´on para los dominios D,E y F se indican tambi´en (las flechas verticales). En la tabla 1 se presentan algunos detalles de la estructa de la ionosfera de acuerdo a [Kravchenko, 1998].
Tabla 1: Detalles de la Estructura de la Ionosfera
Estrato de la Altura, Km Subestrato Altura N, m−3
ionosfera aproximada (aproximadamente)
D 50−90 C 65 108 D 75−80 109 E 90−120(140) E1 110 1011 E2 ES 100 ? F 120−140 F1, F11 2 200 2·10 11 y m´as alto F2 250 1012
El subestratoE1 seg´un los datos existentes, a las horas del d´ıa se tiene durante
todas las estaciones del a˜no sobre toda la esfera de la tierra. El subestrato E2 se
tiene solamente en algunos lugares. Los denominados subestratos espor´adicos ES,
consisten de las formaciones de la peque˜na extensi´on horizontal (unas decenas de kil´ometros). En el dominio F a menudo no se puede distinguir precisamente los subestratos F1 y F2. En general el subestrato F2 es el m´as irregular y est´a bajo la
4 Implementaci´on de la Herramienta . . . 33
influencia del campo magn´etico de la Tierra. Algunos investigadores creen que es necesario distinguir el as´ı llamado subestrato F11
2. Cabe mencionar tambi´en que la
ionosfera posee una “estructura fina” irregular que son variaciones locales (conden- saciones y rarefacciones) de la concentraci´on electr´onica del car´acter casual.
Figura 7: Distribuci´on de la Concentraci´on Electr´onica y de la Frecuencia de Coli- siones en la Ionosfera
Para la completa caracterizaci´on de la ionosfera los fen´omenos irregulares de gran escala son muy importantes. Con las “tormentas magn´eticas”, provocadas por la invasi´on a la ionosfera de los flujos corpusculares como resultado de las explosiones en el Sol, cambia considerablemente el r´egimen del dominio F. Por lo menos se puede hablar de una disminuci´on de la concentraci´on electr´onica y del aumento de la altura del m´aximo.
Las explosiones de otro tipo (cromosf´ericas) se caracterizan por la intenisificaci´on de la radiaci´on ultravioleta y de rayos X. Como resultado de la penetraci´on profunda de esta radiaci´on sucede una subida brusca de la ionizaci´on en el dominio D.