La guía de ondas Tierra-ionosfera [1] se refiere al fenómeno en el que ciertas ondas de radio pueden propagarse en el espacio entre el suelo y el límite de la ionosfera . Debido a que la ionosfera contiene partículas cargadas , puede comportarse como un conductor . La tierra funciona como un plano de tierra y la cavidad resultante se comporta como una gran guía de ondas .
Las señales de frecuencia extremadamente baja (ELF) (<3 kHz) y de muy baja frecuencia (VLF) (3–30 kHz) pueden propagarse de manera eficiente en esta guía de ondas. Por ejemplo, los rayos lanzan una señal llamada radio atmosférica , que puede viajar muchos miles de kilómetros porque están confinados entre la Tierra y la ionosfera. La naturaleza circular de la guía de ondas produce resonancias , como una cavidad, que están a ~ 7 Hz.
Introducción
Guía de ondas Tierra-ionosfera |
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La propagación de radio dentro de la ionosfera depende de la frecuencia, el ángulo de incidencia , la hora del día, la estación, el campo magnético de la Tierra y la actividad solar. En incidencia vertical, ondas con frecuencias mayores que la frecuencia del plasma de electrones ( en Hz) del máximo de la capa F
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( en es la densidad de electrones) puede propagarse a través de la ionosfera casi sin perturbaciones. Ondas con frecuencias menores quese reflejan dentro de las capas D, E y F ionosféricas. [2] [3] f e es del orden de 8-15 MHz durante el día. Para incidencia oblicua, la frecuencia crítica aumenta.
Las frecuencias muy bajas (VLF: 3–30 kHz) y las frecuencias extremadamente bajas (ELF: <3 kHz) se reflejan en la capa D ionosférica y en la capa E inferior. Una excepción es la propagación por silbido de señales de rayos a lo largo de las líneas del campo geomagnético. [2] [4]
Las longitudes de onda de las ondas VLF (10-100 km) ya son comparables con la altura de la capa D ionosférica (unos 70 km durante el día y 90 km durante la noche). Por lo tanto, la teoría de rayos solo es aplicable para la propagación en distancias cortas, mientras que la teoría de modos debe usarse para distancias más grandes. La región entre la superficie de la Tierra y la capa D ionosférica se comporta así como una guía de ondas para ondas VLF y ELF.
En presencia del plasma ionosférico y el campo geomagnético , existen ondas electromagnéticas para frecuencias que son mayores que la girofrecuencia de los iones (aproximadamente 1 Hz). Las ondas con frecuencias más pequeñas que la girofrecuencia se denominan ondas hidromagnéticas. Las pulsaciones geomagnéticas con periodos de segundos a minutos así como las ondas de Alfvén pertenecen a ese tipo de ondas.
Función de transferencia
El prototipo de una antena de varilla vertical corta es un dipolo de Hertz eléctrico vertical en el que fluyen corrientes eléctricas alternas de frecuencia f. Su radiación de ondas electromagnéticas dentro de la guía de ondas Tierra-ionosférica se puede describir mediante una función de transferencia T (ρ, ω):
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donde E z es la componente vertical del campo eléctrico en el receptor a una distancia ρ del transmisor, E o es el campo eléctrico de un dipolo hertziano en el espacio libre, yla frecuencia angular . En el espacio libre, es. Evidentemente, la guía de ondas Tierra-ionosfera es dispersiva porque la función de transferencia depende de la frecuencia. Esto significa que la velocidad de fase y grupo de las ondas depende de la frecuencia.
Teoría de rayos
En el rango VLF, la función de transferencia es la suma de una onda terrestre que llega directamente al receptor y las ondas del cielo de múltiples saltos reflejadas en la capa D ionosférica (Figura 1).
Para la superficie de la Tierra real, la onda terrestre se disipa y depende de la orografía a lo largo de la trayectoria del rayo. [5] Para ondas VLF a distancias más cortas, este efecto es, sin embargo, de menor importancia, y el factor de reflexión de la Tierra es, en una primera aproximación.
A distancias más cortas, solo la onda del cielo del primer salto es de importancia. La capa D se puede simular mediante una pared magnética () con un límite fijo a una altura virtual h, lo que significa un salto de fase de 180 ° en el punto de reflexión. [2] [5] En realidad, la densidad de electrones de la capa D aumenta con la altitud y la onda está limitada como se muestra en la Figura 2.
La suma de la onda terrestre y la onda del primer salto muestra un patrón de interferencia con mínimos de interferencia si la diferencia entre las trayectorias de los rayos de la tierra y la primera onda del cielo es la mitad de una longitud de onda (o una diferencia de fase de 180 °). El último mínimo de interferencia en el suelo (z = 0) entre la onda terrestre y la primera onda del cielo está a una distancia horizontal de
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con c la velocidad de la luz. En el ejemplo de la Figura 3, se trata de una distancia de unos 500 km.
Teoría del modo de onda
La teoría de la propagación de rayos de ondas VLF se rompe a distancias mayores porque en la suma de estas ondas están involucradas ondas de cielo de múltiples saltos sucesivos, y la suma diverge. Además, se hace necesario tener en cuenta la Tierra esférica. La teoría del modo, que es la suma de los modos propios en la guía de ondas Tierra-ionosfera, es válida en este rango de distancias. [5] [6] Los modos de onda tienen estructuras verticales fijas de sus componentes de campo eléctrico vertical con amplitudes máximas en la parte inferior y amplitudes cero en la parte superior de la guía de ondas. En el caso del primer modo fundamental, es un cuarto de longitud de onda. Con frecuencia decreciente, el valor propio se vuelve imaginario en la frecuencia de corte , donde el modo cambia a una onda evanescente. Para el primer modo, esto sucede en [2]
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debajo del cual ese modo no se propagará (Figura 4).
La atenuación de los modos aumenta con el número de onda n. Por lo tanto, esencialmente solo los dos primeros modos están involucrados en la propagación de la onda. El primer mínimo de interferencia entre estos dos modos está a la misma distancia que el último mínimo de interferencia de la teoría de rayos ( Ec. 3 ), lo que indica la equivalencia de ambas teorías [7 ] Como se ve en la Figura 3, el espacio entre los mínimos de interferencia de modo es constante y aproximadamente 1000 km en este ejemplo. El primer modo se vuelve dominante a distancias superiores a unos 1500 km, porque el segundo modo está más fuertemente atenuado que el primer modo.
En el rango de ondas ELF, solo la teoría del modo es apropiada. El modo fundamental es el modo cero (Figura 4). La capa D se convierte aquí en una pared eléctrica (R i = 1). Su estructura vertical es simplemente un campo eléctrico vertical constante con la altitud.
En particular, existe un modo cero de resonancia para ondas que son parte integral de la circunferencia de la Tierra y tienen la frecuencia
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con el radio de la Tierra. Los primeros picos de resonancia están a 7.5, 15 y 22,5 Hz. Estas son las resonancias de Schumann . Las señales espectrales de los rayos se amplifican en esas frecuencias. [5] [8]
Características de la guía de ondas
La discusión anterior simplemente ilustra una imagen simple de la teoría de modos y rayos. Los tratamientos más detallados requieren un gran programa de computadora. En particular, es difícil resolver el problema de las inhomogeneidades horizontales y verticales de la guía de ondas. El efecto de la curvatura de la Tierra es que cerca de la antípoda la intensidad del campo aumenta ligeramente. [5] Debido a la influencia del campo magnético de la Tierra, el medio se vuelve anisotrópico de modo que el factor de reflexión ionosférica en realidad es una matriz. Esto significa que una onda incidente polarizada verticalmente después de la reflexión en la capa D ionosférica converge a una onda polarizada verticalmente y horizontalmente. Además, el campo geomagnético da lugar a una no reciprocidad de ondas VLF. Las ondas que se propagan de este a oeste están más fuertemente atenuadas que viceversa. Aparece un deslizamiento de fase cerca de la distancia del mínimo de interferencia profunda de Eq. 3 . Durante las horas de salida y puesta del sol, a veces hay una ganancia o pérdida de fase de 360 ° debido al comportamiento irreversible de la primera onda del cielo.
Las características de dispersión de la guía de ondas Tierra-ionosférica se pueden utilizar para localizar la actividad de las tormentas mediante mediciones de la diferencia del tiempo de retardo de grupo de las señales de rayos ( sferics ) en frecuencias adyacentes hasta distancias de 10000 km. [7] Las resonancias de Schumann permiten determinar la actividad global del rayo. [9]
Ver también
- Resonador Alfvén
- Conducto atmosférico
- Radio de onda corta
- Onda ionosférica
- Conductos troposféricos
Referencias y notas
Notas
- ^ El transmisor es un dipolo hertziano eléctrico vertical que irradia a 15 kHz. La altura de reflexión virtual de la guía de ondas Tierra-ionosfera es de 70 km, lo que corresponde a las condiciones diurnas en latitudes medias. El mínimo de amplitud cerca de ρ = 500 es el último mínimo de interferencia entre la onda terrestre y la primera onda del cielo (teoría de los rayos). También es el primer mínimo de interferencia entre el primer y el segundo modo (teoría del modo)
Citas
- ^ Spies, Kenneth P. y James R. Wait, Cálculos de modo para la propagación de VLF en la guía de ondas tierra-ionosfera (julio de 1961). Oficina Nacional de Normas de EE. UU. QC100 .U5753 no 114 1961.
- ^ a b c d Davies, K., "Radio ionosférica", Peregrinus Ltd, Londres, 1990
- ^ Rawer, K., "Propagación de ondas en la ionosfera", Kluwer Publ., Dordrecht, 1993
- ^ Robert A. Helliwell (2006). Silbidos y fenómenos ionosféricos relacionados . Publicaciones de Dover, Inc. ISBN 978-0-486-44572-4. Publicado originalmente por Stanford University Press, Stanford, California (1965).
- ^ a b c d e Wait, JR, Ondas electromagnéticas en medios estratificados, McMillan, Nueva York, 1979
- ^ Budden, KG, "La propagación de las ondas de radio", Cambridge, University Press, Cambridge, 1985
- ^ a b Volland, H., "Electrodinámica atmosférica", Springer Verlag, Heidelberg, 1984
- ^ Nickolaenko AP; M. Hayakawa (2002). Resonancias en la cavidad Tierra-ionosfera . Editores académicos Kluwer, Dordrecht-Boston-Londres.
- ^ Heckman SJ; E. Williams (1998). "Rayo global total inferido de las mediciones de resonancia de Schumann" . J. Geophys. Res . 103 (D24) (D24): 31775–31779. Código Bibliográfico : 1998JGR ... 10331775H . doi : 10.1029 / 98JD02648 .