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Ionosfera

Relación entre la atmósfera y la ionosfera La ionosfera ( / aɪ ˈ ɒ n ə ˌ s f ɪər / ) [ 1 ] [ 2 ] es la parte ionizada de la atmósfera superior de la Tierra, desde aproximadament...

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Relación entre la atmósfera y la ionosfera

La ionosfera ( / aɪ ˈ ɒ n ə ˌ s f ɪər / ) [ 1 ] [ 2 ] es la parte ionizada de la atmósfera superior de la Tierra, desde aproximadamente 48 km (30 mi) hasta 965 km (600 mi) sobre el nivel del mar , [ 3 ] una región que incluye la termosfera y partes de la mesosfera y la exosfera . La ionosfera se ioniza por la radiación solar . Juega un papel importante en la electricidad atmosférica y forma el borde interior de la magnetosfera . [ 4 ] Tiene importancia práctica porque, entre otras funciones, influye en la propagación de radio a lugares distantes en la Tierra . [ 5 ] El viaje a través de esta capa también afecta las señales GPS , desviando sus trayectorias y retrasando su llegada. [ 6 ]    

Historia del descubrimiento

Ya en 1839, el matemático y físico alemán Carl Friedrich Gauss postuló que una región conductora de electricidad de la atmósfera podría explicar las variaciones observadas del campo magnético terrestre. [ 7 ] Sesenta años después, Guglielmo Marconi recibió la primera señal de radio transatlántica el 12 de diciembre de 1901 en St. John's, Terranova (actualmente en Canadá ) utilizando una antena de 152,4 m (500 pies) sostenida por una cometa para la recepción. [ 8 ] La estación transmisora ​​en Poldhu , Cornualles, utilizó un transmisor de chispa para producir una señal con una frecuencia de aproximadamente 500 kHz y una potencia 100 veces mayor que cualquier señal de radio producida anteriormente. El mensaje recibido fueron tres puntos, el código Morse para la letra S. Para llegar a Terranova, la señal tendría que rebotar dos veces en la ionosfera. Sin embargo, el Dr. Jack Belrose ha cuestionado esto, basándose en trabajos teóricos y experimentales. [ 9 ] Sin embargo, Marconi logró comunicaciones inalámbricas transatlánticas en Glace Bay, Nueva Escocia , un año después. [ 10 ]   

En 1902, Oliver Heaviside propuso la existencia de la capa Kennelly-Heaviside de la ionosfera, que lleva su nombre. [ 11 ] La propuesta de Heaviside incluía mecanismos mediante los cuales las señales de radio se transmiten a lo largo de la curvatura de la Tierra. También en 1902, Arthur Edwin Kennelly descubrió algunas de las propiedades radioeléctricas de la ionosfera. [ 12 ]

En 1912, el Congreso de los Estados Unidos impuso la Ley de Radio de 1912 a los radioaficionados , limitando sus operaciones a frecuencias superiores a 1,5  MHz (longitud de onda de 200 metros o menos). El gobierno consideraba que esas frecuencias eran inútiles. Esto condujo al descubrimiento de la propagación de radio de alta frecuencia a través de la ionosfera en 1923. [ 13 ]

En 1925, las observaciones realizadas durante un eclipse solar en Nueva York por el Dr. Alfred N. Goldsmith y su equipo demostraron la influencia de la luz solar en la propagación de ondas de radio, revelando que las ondas cortas se debilitaban o se volvían inaudibles mientras que las ondas largas se estabilizaban durante el eclipse, contribuyendo así a la comprensión del papel de la ionosfera en la transmisión de radio. [ 14 ]

En 1926, el físico escocés Robert Watson-Watt introdujo el término ionosfera en una carta publicada recién en 1969 en Nature : [ 15 ]

En los últimos años hemos visto la adopción universal del término "estratosfera" y su término complementario "troposfera".  El término "ionosfera", para la región cuya característica principal es la ionización a gran escala con considerables recorridos libres medios, parece apropiado como adición a esta serie.

A principios de la década de 1930, las transmisiones de prueba de Radio Luxemburgo proporcionaron inadvertidamente evidencia de la primera modificación radioeléctrica de la ionosfera; HAARP realizó una serie de experimentos en 2017 utilizando el efecto Luxemburgo homónimo . [ 16 ]

Edward V. Appleton recibió el Premio Nobel en 1947 por confirmar, en 1927, la existencia de la ionosfera. Lloyd Berkner fue el primero en medir la altura y la densidad de la ionosfera, lo que permitió desarrollar la primera teoría completa sobre la propagación de ondas de radio cortas. Maurice V. Wilkes y J. A. Ratcliffe investigaron la propagación de ondas de radio muy largas en la ionosfera. Vitaly Ginzburg desarrolló una teoría sobre la propagación de ondas electromagnéticas en plasmas como la ionosfera.

En 1962, se lanzó el satélite canadiense Alouette 1 para estudiar la ionosfera. Tras su éxito, se lanzaron el Alouette 2 en 1965 y los dos satélites ISIS en 1969 y 1971, además de los satélites AEROS-A y -B en 1972 y 1975, todos ellos destinados a medir la ionosfera.

El 26 de julio de 1963 se lanzó el primer satélite geoestacionario operativo, Syncom 2. [ 17 ] Las radiobalizas a bordo de este satélite (y sus sucesores) permitieron, por primera vez, medir la variación del contenido total de electrones (TEC) a lo largo de un haz de radio desde la órbita geoestacionaria hasta un receptor terrestre. (La rotación del plano de polarización mide directamente el TEC a lo largo de la trayectoria). La geofísica australiana Elizabeth Essex-Cohen, a partir de 1969, utilizó esta técnica para monitorizar la atmósfera sobre Australia y la Antártida. [ 18 ]

Geofísica

La ionosfera es una capa de electrones y átomos y moléculas con carga eléctrica que rodea la Tierra, [ 19 ] extendiéndose desde una altura de aproximadamente 50 km (30 mi) hasta más de 1000 km (600 mi) . Existe principalmente debido a la radiación ultravioleta del Sol . [ 20 ] [ 21 ]    

Heaviside y Kennelly propusieron la reflexión atmosférica como modelo para la propagación de ondas de radio de largo alcance, en la que la Tierra, conductora eléctricamente, y una capa atmosférica superior actuaban como guía de ondas. Heaviside utilizó sus ecuaciones de telégrafo y la conductividad del agua de mar para proponer: «Es posible que exista una capa suficientemente conductora en la atmósfera superior. En ese caso, la guía se produciría por el mar por un lado y por la capa superior por el otro». Kennelly propuso una causa física, calculando que a 80 kilómetros la conductividad del aire era 20 veces mayor que la del agua de mar. Esto significaba que las señales de radio se propagaban como ondas cilíndricas, y la menor divergencia de energía permitía detectarlas a largas distancias. En 1919, G. N. Watson utilizó la Tierra como una esfera conductora y una capa atmosférica reflectante esférica concéntrica a la Tierra para reproducir matemáticamente la fórmula de Austin -Cohen y otros experimentos de propagación a larga distancia. En 1924, Joseph Larmor publicó una teoría de la refracción iónica, que mostraba cuantitativamente cómo el aire ionizado desviaba la dirección de propagación de las ondas de radio. [ 22 ]

Entre 1923 y 1925, Appleton, Miles Barnett , Reginald Smith-Rose y R. H. Barfield realizaron experimentos de sondeo radioeléctrico en busca de ondas ionosféricas . Determinaron la altura de una capa ionizada de Kennelly-Heaviside, o "capa E" para la electricidad, en la atmósfera superior, entre 80 y 90 km. Appleton y Barnett manipularon la frecuencia de las ondas transmisoras y midieron el desvanecimiento causado por la interferencia con las ondas terrestres. Observaron que las ondas ionosféricas eran débiles durante el día, cuando los rayos solares más intensos hacían que la capa ionizada fuera más gruesa y estuviera más cerca del suelo. Las ondas ionosféricas también predominaban a mayores distancias entre transmisor y receptor, pero se superponían con las ondas terrestres a distancias más cortas. Además, las ondas ionosféricas no se atenuaban tan rápido como las ondas terrestres. Smith-Rose y Barfield midieron la polarización de las ondas ionosféricas, los ángulos de incidencia y la altura de las deflexiones de onda. [ 22 ] : 203–214, 239

En 1925, Gregory Breit y Merle Tuve utilizaron pulsos de eco de pulso, pulsos agudos y repetitivos periódicamente, para medir la altura de la ionosfera. Sin embargo, sus mediciones de altura variaron entre 88 km y 211 km, y también con la longitud de onda, lo que indicaba que la ionosfera no era una superficie reflectante nítida, sino que se comportaba según la teoría de refracción iónica de Larmor. En 1927, los experimentos de cambio de frecuencia de Appleton establecieron la capa F superior, lo que indicaba que las mediciones de Breit y Tuve correspondían a la parte inferior de la capa E y la parte superior de la capa F. Dado que la densidad electrónica de la capa E era menor que la de la capa F, refractaba más las ondas más largas. Appleton propuso entonces que las longitudes de onda más largas podían sondear la capa E, mientras que las longitudes de onda más cortas podían sondear la capa F. Appleton también demostró que la radiación solar generaba la mayor cantidad de iones alrededor del mediodía, lo que hacía descender la capa F, mientras que la baja generación de iones a medianoche la elevaba. [ 22 ] : 215–216, 229, 239–241

La parte más baja de la atmósfera terrestre es donde la temperatura disminuye a razón de 10 grados K ​​por km, la troposfera . Se extiende desde la superficie hasta aproximadamente 10 km (6 mi) a 12 km (7 mi) en la tropopausa . Por encima de esta se encuentra la estratosfera , donde la temperatura aumenta con la altura hasta alcanzar un máximo a 50 km debido a la absorción de la radiación UV en la capa de ozono , la estratopausa . La temperatura disminuye en la mesosfera hasta alcanzar un mínimo de aproximadamente 180 K a 80 km (50 mi) a 85 km (50 mi) , la mesopausa . En la termosfera , el gradiente de temperatura es positivo hasta alcanzar una constante de aproximadamente 1000 K. A 100 km se encuentra la turbopausa , por encima de la cual los gases se separan por difusión gaseosa en la heliosfera y la protonosfera . Por encima de 600 km, en la exosfera , los átomos pueden escapar de la atracción gravitatoria de la Tierra. La ionosfera es la región ionizada de la atmósfera, importante para la propagación de radio , y la magnetosfera es donde el campo geomagnético controla el movimiento de las partículas. [ 23 ]        

El oxígeno molecular y el atómico se encuentran en concentraciones iguales a una altitud de 125 km. Por encima de esa altura, el oxígeno atómico aumenta notablemente debido a la disociación del oxígeno molecular por radiación ultravioleta de 102,7 nm a 175,9 nm . La ionización de N₂ , O₂ y O en la formación de la ionosfera se debe a la radiación ultravioleta extrema de 17 nm a 175 nm y a la radiación solar de rayos X de 0,1 nm a 17 nm . La recombinación radiativa y la recombinación disociativa ocurren con la absorción de un electrón. Este último proceso molecular resulta en una pérdida 10⁵ más rápida de electrones e iones. [ 23 ] : 12–14

Según Hunsucker y Hargreaves, «Los máximos de las capas E, F1 y F2 dependen del número de manchas solares , R. La actividad variable del Sol durante un período de aproximadamente 11 años , medida en términos del número de manchas solares visibles en el disco, la frecuencia de las erupciones solares o la intensidad del flujo de radio de 10 cm , también afecta a la ionosfera debido a las variaciones en la intensidad de las radiaciones ionizantes en las bandas de rayos X y EUV ». La capa F2 también presenta anomalías debido a la variación diurna y estacional. Además, la capa F2 en latitudes medias no desaparece por la noche. [ 23 ] : 39–45

Sydney Chapman propuso que la región debajo de la ionosfera se llamara neutrosfera [ 24 ] (la atmósfera neutra ). [ 25 ] [ 26 ]

Las frecuencias entre 30 MHz y 10 GHz utilizan propagación por línea de visión , aunque se puede usar dispersión ionosférica para frecuencias de 30 a 150 MHz, dispersión troposférica de 200 MHz a 19 GHz y dispersión meteórica de aproximadamente 40 a 150 MHz. Las frecuencias entre 2 y 30 MHz se propagan mediante ondas ionosféricas de día o de noche. Las frecuencias entre aproximadamente 300 kHz y 3 MHz se propagan como ondas terrestres de día o de noche, y se amplifican como ondas ionosféricas por la noche. [ 23 ] : 429–430, 439, 529–530, 568

Capas de ionización

capas ionosféricas

Por la noche, la capa F es la única capa con ionización significativa, mientras que la ionización en las capas E y D es extremadamente baja. Durante el día, las capas D y E se ionizan mucho más, al igual que la capa F, que desarrolla una región de ionización adicional y más débil conocida como capa F1 . La capa F2 persiste día y noche y es la principal responsable de la refracción y reflexión de las ondas de radio. [ 27 ] [ 28 ]

Los iones moleculares tienen una tasa de recombinación 1000 veces mayor (recombinación disociativa) que los iones atómicos (recombinación radiativa), lo que reduce su concentración durante la noche. Las densidades de plasma aumentadas a bajas altitudes se producen en capas bien definidas cuando los meteoros depositan Fe + y Mg + . [ 29 ] Las densidades de iones y electrones aumentan notablemente por encima de los 100 km debido a una menor mezcla atmosférica y tasas de recombinación más bajas. [ 30 ]

Subcapas ionosféricas desde la noche hasta el día, indicando sus altitudes aproximadas.
Sprites de relámpagos

Capa D

La capa D es la capa más interna, situada entre 60 y 90 km (37 y 56 millas) por encima de la superficie terrestre, con una densidad electrónica de 10² a 10⁴ por cm³ . La ionización en esta capa se debe a la radiación de hidrógeno alfa de la serie Lyman, con una longitud de onda de 121,6 nanómetros (nm), que ioniza el óxido nítrico (NO). Además, las erupciones solares pueden generar rayos X duros (longitud de onda < 1 nm ) que ionizan el N₂ y el O₂ . [ 31 ] [ 23 ] : 13 , 31–36  

Las ondas de radio de baja frecuencia se atenúan por el inverso del cuadrado de la frecuencia dentro de la capa D, ya que provocan la vibración de los electrones libres, disipando su energía. Esto impide que las señales de radio de baja frecuencia penetren en la atmósfera superior, excepto cuando la capa D desaparece, como por la noche. La absorción ionosférica hace que las señales por debajo de 50  MHz sean menos efectivas durante los ciclos de máxima actividad solar , debido a la mayor generación de radiación ultravioleta [ 32 ] .

Durante los eventos de protones solares , la ionización puede alcanzar niveles inusualmente altos en la región D sobre latitudes altas y polares. Estos eventos, muy raros, se conocen como eventos de Absorción de la Casquete Polar (PCA, por sus siglas en inglés), ya que el aumento de la ionización mejora significativamente la absorción de las señales de radio que atraviesan la región. [ 33 ] Los apagones de radio polares pueden cubrir una gran región y, aunque son menos frecuentes que los eventos aurorales, pueden durar días. [ 23 ] : 382–411

Capa E

La densidad del aire es menor en las capas E y F, lo que provoca menos colisiones de electrones. En cambio, a medida que las señales de radio se propagan hacia arriba, encuentran una mayor densidad de electrones, lo que hace que se refracten alejándose de esta mayor densidad hasta que se curvan de vuelta hacia la Tierra, reflejándose esencialmente. Tanto el ángulo de incidencia como la frecuencia determinan la cantidad de refracción, disminuyendo esta última al aumentar la frecuencia. Las señales de radio de mayor frecuencia pueden atravesar la capa D, pero reflejarse en la capa E, o en las capas F a frecuencias aún mayores, aunque puede alcanzarse una frecuencia en la que la señal atraviese todas las capas y llegue al espacio exterior. [ 32 ]

La capa E es la capa intermedia, de 105 a 160 km (65 a 99 millas) por encima de la superficie de la Tierra, con una densidad electrónica varias veces 10⁵ por cm³ . La ionización se debe a la radiación ultravioleta (UV) solar de 80 a 103 nm, la ionización del oxígeno molecular (O₂ ) y la radiación de rayos X de las erupciones solares. El nivel más bajo de ionización se produce justo antes del amanecer y luego aumenta hasta alcanzar un pico al mediodía. [ 30 ] [ 23 ] : 13  

Esta región también se conoce como la capa de Kennelly-Heaviside o simplemente la capa de Heaviside. Su existencia fue predicha en 1902 de forma independiente y casi simultánea por el ingeniero eléctrico estadounidense Arthur Edwin Kennelly (1861-1939) y el físico británico Oliver Heaviside (1850-1925). En 1924 , Edward V. Appleton y Miles Barnett detectaron su existencia .

Capa E​

La capa E s ( capa E esporádica ) se caracteriza por densidades electrónicas superiores a las normales, lo que permite la reflexión de ondas de radio de hasta 100  MHz. Los eventos de capa E esporádica pueden durar desde unos pocos minutos hasta varias horas, y pueden alcanzar hasta 2 km de espesor y cientos de km de longitud. Son frecuentes durante el día en la región ecuatorial de baja latitud. En latitudes medias, ocurren con mayor frecuencia durante el día en verano y pueden estar asociados con restos meteóricos de iones metálicos. [ 30 ] [ 23 ] : 12, 27–30

La propagación esporádica E hace que la operación en VHF por parte de radioaficionados sea muy emocionante cuando se abren rutas de propagación de larga distancia que normalmente son inaccesibles para la comunicación bidireccional. Las distancias de salto suelen rondar los 1640 km (1020 millas) . Las distancias para la propagación de un solo salto pueden variar entre 900 y 2500 km (560 y 1550 millas) . La propagación de múltiples saltos a lo largo de más de 3500 km (2200 millas) también es común, a veces hasta distancias de 15 000 km (9300 millas) o más.        

capa F

Los principales gases de la ionosfera (a unos 50 km; 31 millas y superiores en este gráfico) varían considerablemente según la altitud.  

La capa F incluye la capa F1 desde 160 km (99 mi) hasta 180 km (110 mi) con una densidad electrónica de varias veces 10⁵ a 10⁶ por cm³ , debido a la radiación ultravioleta extrema (UV, 20–900 nm) que ioniza el oxígeno atómico. La capa F1 se fusiona con la capa F2 por la noche o durante los meses de invierno en el máximo solar. La capa F2 se extiende desde 200 km (120 mi) hasta más de 800 km (500 mi) . La densidad electrónica máxima se produce a 300 km durante el día, varias veces 10⁶ por cm³ . Por encima de 700 km, el hidrógeno ionizado predomina sobre el oxígeno ionizado. [ 30 ] [ 23 ] : 14         

Entre 1972 y 1975, la NASA lanzó los satélites AEROS y AEROS B para estudiar la región F. [ 34 ]

modelo ionosférico

Un modelo ionosférico es una descripción matemática de la ionosfera en función de la ubicación, la altitud, el día del año, la fase del ciclo de manchas solares y la actividad geomagnética. Geofísicamente, el estado del plasma ionosférico se puede describir mediante cuatro parámetros: densidad electrónica, temperatura electrónica e iónica y, dado que existen varias especies de iones, composición iónica . La propagación de radio depende exclusivamente de la densidad electrónica.

Los modelos suelen expresarse como programas informáticos. El modelo puede basarse en la física básica de las interacciones de los iones y electrones con la atmósfera neutra y la luz solar, o puede ser una descripción estadística basada en un gran número de observaciones o una combinación de física y observaciones. Uno de los modelos más utilizados es la Ionosfera de Referencia Internacional (IRI), [ 35 ] que se basa en datos y especifica los cuatro parámetros mencionados. La IRI es un proyecto internacional patrocinado por el Comité de Investigación Espacial (COSPAR) y la Unión Internacional de Ciencias de la Radio (URSI). [ 36 ] Las principales fuentes de datos son la red mundial de ionosondas , los potentes radares de dispersión incoherente (Jicamarca, Arecibo , Millstone Hill, Malvern, St Santin), los radiómetros de superficie ISIS y Alouette , e instrumentos in situ en varios satélites y cohetes. La IRI se actualiza anualmente. El modelo IRI describe con mayor precisión la variación de la densidad electrónica desde la base de la ionosfera hasta la altitud de máxima densidad que el contenido total de electrones (TEC). Desde 1999, este modelo es el estándar internacional para la ionosfera terrestre (norma TS16457).

Anomalías persistentes respecto al modelo idealizado

Descripción general de los fenómenos de la ionosfera

Los ionogramas permiten deducir, mediante cálculos, la forma real de las diferentes capas. La estructura no homogénea del plasma de electrones / iones produce trazas de eco irregulares, que se observan predominantemente de noche y en latitudes más altas, y durante condiciones de perturbación.

anomalía invernal

En latitudes medias, la producción diurna de iones en la capa F₂ es mayor en verano, como era de esperar, ya que el Sol incide con mayor intensidad sobre la Tierra. Sin embargo, existen variaciones estacionales en la proporción molecular-atómica de la atmósfera neutra que provocan un aumento aún mayor en la tasa de pérdida de iones durante el verano. Como resultado, el incremento en la pérdida estival supera el incremento en la producción estival, y la ionización total de F₂ es , de hecho, menor durante los meses de verano locales. Este efecto se conoce como anomalía invernal. La anomalía siempre está presente en el hemisferio norte, pero suele estar ausente en el hemisferio sur durante los periodos de baja actividad solar.

Anomalía ecuatorial

Corrientes eléctricas generadas en la ionosfera orientada hacia el Sol.

Aproximadamente a ± 20 grados del ecuador magnético se encuentra la anomalía ecuatorial . [ 37 ] [ 38 ] Consiste en la aparición de un valle en la ionización en la capa F2 en el ecuador y crestas alrededor de los 17 grados de latitud magnética. [ 37 ] Las líneas del campo magnético terrestre son horizontales en el ecuador magnético. El calentamiento solar y las oscilaciones de marea en la ionosfera inferior mueven el plasma hacia arriba y a través de las líneas del campo magnético. Esto establece una lámina de corriente eléctrica en la región E que, junto con el campo magnético horizontal , fuerza la ionización hacia arriba en la capa F, concentrándose a ± 20 grados del ecuador magnético. Este fenómeno se conoce como la fuente ecuatorial . [ 39 ]

Electrochorro ecuatorial

El viento solar global genera el sistema de corrientes denominado Sq (solar quiet) en la región E de la ionosfera terrestre ( región de la dinamo ionosférica ) ( altitud de 100 a 130 km (60 a 80 millas) ). Esta corriente produce un campo electrostático dirigido de oeste a este (amanecer-anochecer) en el lado diurno ecuatorial de la ionosfera. En el ecuador magnético, donde el campo geomagnético es horizontal, este campo eléctrico genera un flujo de corriente intensificado hacia el este dentro de ± 3 grados del ecuador magnético, conocido como electrochorro ecuatorial . [ 39 ]  

Perturbaciones ionosféricas efímeras

Rayos X: perturbaciones ionosféricas repentinas (SID)

Cuando el Sol está activo, pueden producirse fuertes erupciones solares que impactan la cara iluminada de la Tierra con rayos X duros. Estos rayos penetran en la región D, liberando electrones que aumentan rápidamente la absorción, provocando un  apagón radioeléctrico de alta frecuencia (3-30 MHz) que puede persistir durante muchas horas después de las erupciones. Durante este tiempo,  las señales de muy baja frecuencia (3-30 kHz) se reflejan en la capa D en lugar de en la capa E, donde la mayor densidad atmosférica suele aumentar la absorción de la onda y, por lo tanto, la atenúa. Tan pronto como cesan los rayos X, la perturbación ionosférica repentina (SID) o el apagón radioeléctrico disminuyen progresivamente a medida que los electrones en la región D se recombinan rápidamente y la propagación regresa gradualmente a las condiciones previas a la erupción en cuestión de minutos u horas, dependiendo de la intensidad y la frecuencia de la erupción solar.

Protones: absorción de casquete polar (PCA)

Las erupciones solares se asocian con la liberación de protones de alta energía. Estas partículas pueden impactar la Tierra entre 15 minutos y 2 horas después de la erupción. Los protones giran en espiral alrededor y a lo largo de las líneas del campo magnético terrestre y penetran en la atmósfera cerca de los polos magnéticos, aumentando la ionización de las capas D y E. Los eventos de ablación por plasma suelen durar desde una hora hasta varios días, con un promedio de entre 24 y 36 horas. Las eyecciones de masa coronal también pueden liberar protones energéticos que intensifican la absorción de la región D en las regiones polares.

Tormentas

Las tormentas geomagnéticas y las tormentas ionosféricas son perturbaciones temporales e intensas de la magnetosfera y la ionosfera terrestres .

Durante una tormenta geomagnética, la capa F₂ se vuelve inestable, se fragmenta e incluso puede desaparecer por completo. En las regiones polares norte y sur de la Tierra, las auroras boreales y australes serán visibles en el cielo nocturno.

Iluminación

Los rayos pueden provocar perturbaciones ionosféricas en la región D de dos maneras. La primera es mediante ondas de radio VLF (muy baja frecuencia) que se emiten hacia la magnetosfera . Estas ondas, denominadas de modo "silbato", pueden interactuar con partículas del cinturón de radiación y provocar su precipitación en la ionosfera, lo que incrementa la ionización en la región D. Estas perturbaciones se conocen como eventos de " precipitación electrónica inducida por rayos " (LEP, por sus siglas en inglés).

También puede producirse una ionización adicional por calentamiento/ionización directa como resultado de los enormes movimientos de carga en los rayos. Estos eventos se denominan ionización temprana/rápida.

En 1925, CTR Wilson propuso un mecanismo por el cual la descarga eléctrica de las tormentas eléctricas podía propagarse desde las nubes hasta la ionosfera. Casi al mismo tiempo, Robert Watson-Watt, que trabajaba en la Estación de Investigación Radioeléctrica de Slough (Reino Unido), sugirió que la capa E esporádica de la ionosfera (E s ) parecía intensificarse como resultado de los rayos, pero que se necesitaba más investigación. En 2005, C. Davis y C. Johnson, que trabajaban en el Laboratorio Rutherford Appleton de Oxfordshire (Reino Unido), demostraron que la capa E s se intensificaba efectivamente como resultado de la actividad eléctrica. Su investigación posterior se ha centrado en el mecanismo por el cual puede ocurrir este proceso.

Aplicaciones

Comunicación por radio

Debido a la capacidad de los gases atmosféricos ionizados para refractar las ondas de radio de alta frecuencia (HF, u onda corta ), la ionosfera puede reflejar las ondas de radio dirigidas hacia el cielo de vuelta a la Tierra. Las ondas de radio dirigidas en ángulo hacia el cielo pueden regresar a la Tierra más allá del horizonte. Esta técnica, llamada propagación por "salto" u " onda ionosférica ", se ha utilizado desde la década de 1920 para comunicarse a distancias internacionales o intercontinentales. Las ondas de radio que regresan pueden reflejarse en la superficie terrestre hacia el cielo nuevamente, lo que permite alcanzar mayores alcances con múltiples saltos . Este método de comunicación es variable e inestable, ya que la recepción en una ruta determinada depende de la hora del día o de la noche, las estaciones, el clima y el ciclo de manchas solares de 11 años . Durante la primera mitad del siglo XX, se utilizó ampliamente para el servicio telefónico y telegráfico transoceánico, así como para la comunicación comercial y diplomática. Debido a su relativa falta de fiabilidad, la comunicación por radio de onda corta ha sido prácticamente abandonada por la industria de las telecomunicaciones, aunque sigue siendo importante para la comunicación en latitudes altas donde la disponibilidad de comunicación por radio vía satélite puede ser insuficiente. La radiodifusión de onda corta es útil para cruzar fronteras internacionales y cubrir grandes áreas a bajo coste. Los servicios automatizados aún utilizan frecuencias de radio de onda corta , al igual que los radioaficionados para contactos recreativos privados y para colaborar en comunicaciones de emergencia durante desastres naturales. Las fuerzas armadas utilizan la onda corta para independizarse de infraestructuras vulnerables, incluidos los satélites, y la baja latencia de las comunicaciones de onda corta las hace atractivas para los operadores bursátiles, donde cada milisegundo cuenta. [ 40 ]

Mecanismo de refracción

Cuando una onda de radio alcanza la ionosfera, el campo eléctrico de la onda fuerza a los electrones de la ionosfera a oscilar a la misma frecuencia que la onda de radio. Parte de la energía de radiofrecuencia se transfiere a esta oscilación resonante. Los electrones oscilantes se recombinan o reemiten la energía de la onda original. La refracción total puede ocurrir cuando la frecuencia de colisión de la ionosfera es menor que la frecuencia de radio y si la densidad de electrones en la ionosfera es suficientemente alta.

Se puede obtener una comprensión cualitativa de cómo se propaga una onda electromagnética a través de la ionosfera recordando la óptica geométrica . Dado que la ionosfera es un plasma, se puede demostrar que el índice de refracción es menor que la unidad. Por lo tanto, el "rayo" electromagnético se desvía de la normal en lugar de acercarse a ella, como ocurriría si el índice de refracción fuera mayor que la unidad. También se puede demostrar que el índice de refracción de un plasma, y ​​por ende de la ionosfera, depende de la frecuencia (véase Dispersión (óptica)) . [ 41 ]

La frecuencia crítica es la frecuencia límite, igual o inferior a la cual una onda de radio se refleja en una capa ionosférica con incidencia vertical . Si la frecuencia transmitida es superior a la frecuencia de plasma de la ionosfera, los electrones no pueden responder con la suficiente rapidez y no pueden reemitir la señal. Se calcula como se muestra a continuación:

Fcrítico=9×norte{\displaystyle f_{\text{crítico}}=9\times {\sqrt {N}}}

donde N = densidad electrónica por m 3 y f crítica está en Hz.

La Frecuencia Máxima Utilizable (MUF, por sus siglas en inglés) se define como el límite superior de frecuencia que se puede utilizar para la transmisión entre dos puntos en un momento determinado.

Fmuf=Fcríticopecado⁡α{\displaystyle f_{\text{muf}}={\frac {f_{\text{crítico}}}{\sin \alpha }}}

dóndeα{\displaystyle \alpha }= ángulo de llegada , el ángulo de la onda con respecto al horizonte , y sin es la función seno .

La frecuencia de corte es la frecuencia por debajo de la cual una onda de radio no logra penetrar una capa de la ionosfera con el ángulo de incidencia requerido para la transmisión entre dos puntos específicos por refracción desde dicha capa.

Corrección ionosférica GPS/GNSS

Existen varios modelos utilizados para comprender los efectos de la ionosfera en los sistemas globales de navegación por satélite. El modelo de Klobuchar se utiliza actualmente para compensar los efectos ionosféricos en el GPS . Este modelo fue desarrollado en el Laboratorio de Investigación Geofísica de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos alrededor de 1974 por John (Jack) Klobuchar . [ 42 ] El sistema de navegación Galileo utiliza el modelo NeQuick . [ 43 ] GALILEO transmite 3 coeficientes para calcular el nivel de ionización efectivo, que luego es utilizado por el modelo NeQuick para calcular un retardo de alcance a lo largo de la línea de visión. [ 44 ]

Otras aplicaciones

Se está investigando el cable electrodinámico de sistema abierto , que utiliza la ionosfera. Este cable espacial utiliza contactores de plasma y la ionosfera como partes de un circuito para extraer energía del campo magnético terrestre mediante inducción electromagnética .

Medidas

Propiedades de la atmósfera superior de la Tierra

Descripción general

Los científicos exploran la estructura de la ionosfera mediante una amplia variedad de métodos. Entre ellos se incluyen:

Diversos experimentos, como HAARP ( Programa de Investigación Auroral Activa de Alta Frecuencia ), emplean transmisores de radio de alta potencia para modificar las propiedades de la ionosfera. Estas investigaciones se centran en el estudio de las propiedades y el comportamiento del plasma ionosférico, con especial énfasis en su comprensión y utilización para mejorar los sistemas de comunicación y vigilancia, tanto para fines civiles como militares. HAARP se inició en 1993 como un experimento propuesto de veinte años y actualmente se encuentra activo cerca de Gakona, Alaska.

El proyecto de radar SuperDARN investiga las latitudes altas y medias mediante la retrodispersión coherente de ondas de radio en el  rango de 8 a 20 MHz. La retrodispersión coherente es similar a la dispersión de Bragg en cristales e implica la interferencia constructiva de la dispersión producida por irregularidades en la densidad ionosférica. El proyecto involucra a más de 11 países y múltiples radares en ambos hemisferios.

Los científicos también están examinando la ionosfera a través de los cambios en las ondas de radio, provenientes de satélites y estrellas, que la atraviesan. El Telescopio de Arecibo, ubicado en Puerto Rico , fue diseñado originalmente para estudiar la ionosfera terrestre.

Ionogramas

Los ionogramas son gráficos de la altura virtual de la reflexión de radiofrecuencia en función de la frecuencia. Una ionosonda transmite un rango aproximado de frecuencias, de 0,5 a 25  MHz, en forma de pulsos o de onda continua (FM). La señal recibida incluye el tiempo de tránsito, la frecuencia, la amplitud, la fase, la polarización, el desplazamiento Doppler y la forma del espectro. A partir de las mediciones, también se puede obtener la altura real de las capas y la velocidad en la línea de visión . Un conjunto de antenas receptoras puede proporcionar información sobre cualquier irregularidad en las capas ionosféricas. [ 23 ] : 181–187

A medida que aumenta la frecuencia, cada onda se refracta menos por la ionización en la capa, penetrando así más profundamente antes de reflejarse. Finalmente, se alcanza una frecuencia que permite que la onda atraviese la capa sin reflejarse. Para las ondas de modo ordinario, esto ocurre cuando la frecuencia transmitida supera ligeramente la frecuencia pico del plasma, o frecuencia crítica, de la capa. Las reglas de reducción se encuentran en: "URSI Handbook of Ionogram Interpretation and Reduction", editado por William Roy Piggott y Karl Rawer , Elsevier Amsterdam, 1961 (traducciones disponibles al chino, francés, japonés y ruso).

Radares de dispersión incoherente

Los radares de dispersión incoherente operan por encima de las frecuencias críticas. Por lo tanto, esta técnica permite sondear la ionosfera, a diferencia de las ionosondas, también por encima de los picos de densidad electrónica. Las fluctuaciones térmicas de la densidad electrónica que dispersan las señales transmitidas carecen de coherencia , lo que da nombre a la técnica. Su espectro de potencia contiene información no solo sobre la densidad, sino también sobre las temperaturas de iones y electrones, las masas iónicas y las velocidades de deriva. Los radares de dispersión incoherente también pueden medir movimientos de la atmósfera neutra, como las mareas atmosféricas , tras realizar suposiciones sobre la frecuencia de colisión ión-neutro en la región de la dinamo ionosférica . [ 45 ]

ocultación radioeléctrica GNSS

La ocultación radioeléctrica es una técnica de teledetección en la que una señal GNSS roza tangencialmente la Tierra, atravesando la atmósfera, y es recibida por un satélite en órbita terrestre baja (LEO). Al pasar por la atmósfera, la señal se refracta, se curva y se retrasa. Un satélite LEO registra el contenido total de electrones y el ángulo de refracción de muchas de estas trayectorias de señal mientras observa al satélite GNSS ascender o descender tras la Tierra. Mediante la transformada inversa de Abel , se puede reconstruir un perfil radial de refractividad en ese punto tangente en la Tierra.

Entre las principales misiones de ocultación radioeléctrica GNSS se incluyen GRACE , CHAMP y COSMIC .

Índices de la ionosfera

En los modelos empíricos de la ionosfera, como el de Nequick, se utilizan los siguientes índices como indicadores indirectos del estado de la ionosfera.

Intensidad solar

F10.7 y R12 son dos índices comúnmente utilizados en la modelización ionosférica. Ambos son valiosos por sus extensos registros históricos que abarcan múltiples ciclos solares. F10.7 mide la intensidad de las emisiones de radio solares a una frecuencia de 2800  MHz mediante un radiotelescopio terrestre . R12 es el promedio de 12 meses del número diario de manchas solares . Se ha demostrado que ambos índices están correlacionados.

Sin embargo, ambos índices son solo indicadores indirectos de las emisiones solares ultravioleta y de rayos X, que son las principales responsables de la ionización en la atmósfera superior de la Tierra. Ahora contamos con datos de la nave espacial GOES que miden el flujo de rayos X de fondo proveniente del Sol, un parámetro más directamente relacionado con los niveles de ionización en la ionosfera.

Perturbaciones geomagnéticas

  • Los índices A y K miden el comportamiento de la componente horizontal del campo geomagnético . El índice K utiliza una escala semilogarítmica de 0 a 9 para medir la intensidad de la componente horizontal del campo geomagnético. El índice K de Boulder se mide en el Observatorio Geomagnético de Boulder .
  • Los niveles de actividad geomagnética de la Tierra se miden mediante la fluctuación del campo magnético terrestre en unidades del SI llamadas teslas (o en gauss , unidades no pertenecientes al SI , especialmente en literatura antigua). El campo magnético terrestre se mide en todo el planeta mediante numerosos observatorios. Los datos obtenidos se procesan y se convierten en índices de medición. Las mediciones diarias para todo el planeta se obtienen mediante una estimación del índice A p , denominado índice A planetario (PAI).

Ionosferas de otros planetas y satélites naturales

Los objetos del Sistema Solar que tienen atmósferas apreciables (es decir, todos los planetas principales y muchos de los satélites naturales más grandes ) generalmente producen ionosferas. [ 46 ] Los planetas que se sabe que tienen ionosferas incluyen Venus , Marte , [ 47 ] Júpiter , Saturno , Urano y Neptuno .

La atmósfera de Titán incluye una ionosfera que abarca desde aproximadamente 880 a 1300 km (550 a 810 millas) de altitud y contiene compuestos de carbono. [ 48 ] También se han observado ionosferas en Io , Europa , Ganímedes , Tritón y Plutón .  

Véase también

Notas

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  • Sistema europeo de radar de dispersión incoherente
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