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El 12 de diciembre de 1901, Marconi consiguió
realizar de forma satisfactoria la primera comunicación
radiotelegráfica transatlántica cubriendo una distancia de 3.000 Km
entre Gales y Terranova, en el extremo oriental de Canada.
Unos años
antes, Herz había
comprobado experimentalmente la existencia de ondas
electromagnéticas, cuya naturaleza era similar a la de la luz. Por
este motivo el éxito de Marconi resultaba inexplicable considerando
que las ondas electromagnéticos deben propagarse en trayectos
rectilíneos y que la esfericidad de la tierra impedía la visibilidad
directa. De hecho el éxito inicial fue recibido con cierto
escepticismo por la comunidad científica, que en parte dudaba de su
veracidad.
En el año 1902 otros experimentos realizados por Marconi pusieron
de relieve que las comunicaciones a grandes distancias sufrían
grandes variaciones si se realizaban durante el día o la noche.
Así,
experimentos de recepción a bordo de un barco desde una estación
base en tierra mostraron que a distancias superiores a 1.000 Km las
comunicaciones fallaban totalmente durante el día, mientras que
durante la noche era posible la recepción a distancias superiores a
los 3.000 Km.
Marconi estaba
más interesado en las posibilidades de la explotación comercial de
las comunicaciones radiotelegráficas a larga distancia que en la explicación de los fenómenos responsables
de éstas, por lo que se centró su actividad en la aplicación
práctica de estos hechos más que en la justificación teórica de los
mismos.
En el mismo año 1902, Kennelly y Heaviside,
de forma independiente, postularon la existencia de una capa
ionizada en la parte alta de la atmósfera como responsable de la
reflexión de las ondas electromagnéticas, explicando, de este modo,
el mecanismo de propagación a gr4andes distancias.
El primer experimento para realizar mediciones
exactas de la ionosfera lo llevaron a cabo Appleton y Barnett en
Londres en 1925. Consistía en emitir una señal de
onda continua y de fase variable con el tiempo. En un receptor
próximo se recibía la interferencia de la onda directa y reflejada
A partir de la formación de interferencias constructivas y
destructivas les fue posible determinar la altura de la capa
ionizada. A esta capa le llamaron capa
eléctrica, o abreviadamente capa
E.
Estudios posteriores revelaron la existencia de capas
inferiores y superiores a la capa
E, a las que manteniendo el orden alfabético se las denominó D y F respectivamente.
Investigaciones más profundas demostraron que la ionosfera
no es un medio estratificado, sino que presenta variaciones
continuas con la densidad de electrones ionizados en función de la
altura.
Por razones históricas se mantiene la nomenclatura de las capas
D, E y F designando
a cada una de ellas regiones de la ionosfera de altitud creciente.
Bajo ciertas condiciones la capa
F se desdobla en dos
capas, la capa F1 y
la capa F2.
La causa primordial de ionización de la ionosfera es
la radiación solar en la región del espectro de los rayos x y
ultravioletas. También contribuyen a la ionización la incidencia de
las partículas cargadas (protones y electrones) de origen solar y
los rayos cósmicos galácticos. La creación de iones depende de la
energía de las radiaciones y de la densidad de moléculas.
Para
alturas elevadas la energía de la
radiación incidente es elevada pero la densidad de moléculas baja,
mientras que para alturas más bajas la densidad de moléculas es alta
pero la energía de las radiaciones ha sido absorbida en gran parte,
de modo que la densidad de ionización máxima se produce en un punto
intermedio.
En la figura 1.1 se representa la variación de la
densidad de moléculas ionizables en función de la altura.
Figura 1.1 Densidad
de moléculas ionizable vs. altura.
En la figura 1.2 se puede relaciona la energía
proveniente de la radiación solar y los cuerpos celestes en función
de la altura sobre la superficie terrestre.
Figura 1.2 Energía
de ionización vs. altura.
En la figura 1.3 se puede observa la variación de la
densidad de ionización de la Ionosfera en función de la altura. Como
se puede ver, existe una densidad máxima de ionización que se
alcanza a una altura media. El valor de dicha ionización máxima
varía con la estación, con el número de manchas solares y con la
hora del día.
Figura 1.3 Energía
de ionización vs.
altura.
Ya que la causa principal de ionización es la
actividad solar, el comportamiento de la ionosfera está muy influido
por los ciclos solares observados desde la tierra. Los periodos de
éstos ciclos son:
DIURNO ANUAL DE
11 AÑOS
En la figura 1.4 se representa la variación de la
densidad de ionización típica en la ionosfera en función de la
altura .
Capa D
La capa
D, segunda en ser modelada, se extiende entre los 50 y 90 Km de
altura. Su densidad de ionización aumenta rápidamente con la altura
y presenta grandes variaciones entre el día y la noche. De hecho,
por la noche prácticamente desaparece, por lo que habitualmente se
considera que la capa
D es una capa diurna.
Capa
E
La capa
E o capa
Kennelly-Heaviside, primera en ser descrita, comprende una zona
intermedia que abarca desde 90 a 130 Km de altura. Su comportamiento
está muy ligado a los ciclos solares.
A pesar de sufrir grandes
variaciones de ionización conserva un nivel apreciable durante la
noche. Alcanza el máximo de ionización durante el mediodía en los
meses de verano con niveles en torno a 1011 e-/m3.
En
ciertas ocasiones aparece una ionización anómala en la capa
E denominada capa
E esporádica, (ES). En zonas templadas la capa ES es
bastante frecuente en verano, alcanzando densidades iónicas varias
veces superiores a las de la capa
E circundante.
Capa
F
La capa F se extiende hacia arriba a partir de los
130 Km de altitud. Debido al distinto comportamiento de la capa
superior e inferior, ésta se puede dividir en la capa
F1 entre
los 130 y 210 Km y la capa
F2 a
partir de los 210 Km. La capa
F1 desaparece
durante la noche mientras que la capa
F2 mantiene
niveles de ionización relativamente constantes entre el día y la
noche.
En la figura 1.4 se representa gráficamente la altura de las
capas en función las horas del día y de la estación.
Figura 1.4 Altura
de las capas vs.
hora y
estación.
La variación de la altura de las capas según la
temperatura y en conclusión la hora solar se muestra en la figura
1.5
Figura 1.5 Altura
de las capas vs. hora y estación.
Propagación
en un medio ionizado.
La propagación de ondas
electromagnéticas en la ionosfera se puede modelar a partir de la
propagación de plasmas. Un plasma es una región del espacio, con la
permitividad ε y
la permeabilidad magnética m del
vacío, que contiene electrones libres.
Un modelo simplificado es el
del plasma frío, en el que se desprecia el movimiento de los
electrones por causas térmicas. Un análisis más acorde con la
realidad es considerar la presencia de un campo magnético estático,
de la misma manera que en la ionosfera existe el campo magnético
terrestre.
Considérense en primer lugar las
fuerzas a las que se encuentra sometido un electrón inmerso
en le campo electromagnético de una onda plana. Éste
experimentará una fuerza debida al campo eléctrico y otra al
campo magnético. A continuación se va
a realizar un breve análisis de las fuerzas puestas en
juego.
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1.1 |
Donde:
1. e- =1.59
10-19 C.
2. c = 3
108 m/s.
3. v es
la velocidad de los electrones en movimiento.
Es importante resaltar que la fuerza experimentada
por el electrón debida al campo magnético de
la onda plana es despreciable frente a la fuerza producida por el
campo eléctrico.
La ecuación del movimiento de un electrón en un
plasma frío, en el que se propaga una onda plana y existe un campo
magnético estático está
dada por (1.2)
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1.2 |
Donde se ha considerado también un
término de pérdidas por colisión entre electrones siendo V la
velocidad de colisiones.
La presencia del campo magnético estático
dificulta también el análisis, por lo que se va a omitir en los
desarrollos matemáticos, si bien esto no significa que el efecto del
campo magnético terrestre sobre la propagación ionosférica sea
despreciable.
Suponiendo variaciones sinusoidales de la forma  ,
de la anterior expresión se deduce (1.3).
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1.3 |
Si
existe una densidad de N  se
creará una densidad de corriente de valor (1.4)
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1.4 |
Asociada al movimiento de
electrones en la dirección asociada a  ,
y a partir de las ecuaciones de Maxwell (1.5)
se puede llegar a (1.6)
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1.6
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Es posible definir eléctrica relativa y la
conductividad del plasma en (1.7)
en ausencia de colisiones entre los
iones (n=0)
las expresiones anteriores se pueden simplificar como (1.8).
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1.8 |
donde se ha introducido la frecuencia
de resonancia del plasma fp,
también llamada frecuencia
crítica.
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1.8
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Al sustituir las constantes por su valor se obtiene
la relación (1.9)
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1.9
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Las unidades resultantes pertenecen al si N se
utiliza en  .
Una
onda plana propagándose a través de la ionosfera tiene una constante
de fase de  .
En el caso en que la frecuencia sea menor a la frecuencia crítica fp,
la constante de fase será imaginaria y por lo tanto la amplitud de
la onda se irá atenuando exponencialmente a lo largo de la
ionosfera, por el contrario si la frecuencia de la señal es superior
a la frecuencia
crítica la constante
de fase será real y por consiguiente la amplitud no sufrirá
atenuación, (suponiendo n=0).
Si se considera la existencia de
colisiones en la ionosfera, la constante dieléctrica e* tiene
una parte imaginaria no nula, por lo que el medio presentará
atenuación. En este caso, la constante de propagación en el medio g,
puede escribirse como (1.10)
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1.10
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Si se asume al hipótesis de que la ionosfera se
comporta como un buen dieléctrico (1.11) se puede obtener una
estimación de la atenuación introducida por la propagación
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1.11
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ionosférica (1.12). Si además, se supone que el
índice de refracción n del
medio ionosférico en
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1.12
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el que incide una onda plana es próximo a la unidad y
que la frecuencia de la onda es mucho menor que la frecuencia de las
colisiones  ,
se puede aproximar la expresión de la atenuación a (1.13)
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1.13
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Ejemplo 1: En
una región de la ionosfera a 75 Km de altura (capa D) se
conoce la frecuencia de colisión iónica n=2·106 s-1.
La densidad de ionización máxima en esa capa para alturas de 80 y 90
Km es de N =
109 ,
valor que se alcanza durante el mediodía. Para esa densidad de
ionización, la frecuencia crítica es de  .
Si se utiliza en un radio enlace una señal portadora de 1 MHz, la
atenuación producida en el trayecto ionosférico es de  mientras
que si la portadora es transmitida a
10 MHz la atenuación sufrida
por la onda sería  .
En la figura 1.6 se presenta la variación de la atenuación vs. la
frecuencia de la onda incidente.
La capa
D produce durante el
día una fuerte atenuación a señales que intenten propagarse a través
de la ionosfera, con frecuencias comprendidas en la banda de MF, a
pesar de tratarse de frecuencias superiores a la frecuencia de
resonancia.
Durante la noche, los iones prácticamente
desaparecen en la capa
D, n » 0, por
lo que la atenuación es despreciable .
En el resto de las capas la frecuencia de colisión es mucho menor,
debido a que la atmósfera es más tenue, por lo que la atenuación es
prácticamente despreciable.
Fuente:http://electronica.ugr.es/
~amroldan/asignaturas/curso01-02/tv2/Ionosfera.htm
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