guía de ondas Tierra-ionosfera

La guía de ondas Tierra-ionosfera ^{[ 1 ]} es el fenómeno por el cual 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 actúa 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 frecuencia muy baja (VLF) (3–30  kHz) pueden propagarse eficientemente en esta guía de ondas. Por ejemplo, los rayos generan una señal llamada ondas atmosféricas de radio , que pueden viajar miles de kilómetros, ya que se encuentran confinadas entre la Tierra y la ionosfera. La naturaleza circular de la guía de ondas produce resonancias , como en una cavidad, a aproximadamente 7  Hz.

La propagación de radio dentro de la ionosfera depende de la frecuencia, el ángulo de incidencia , la hora del día, la estación del año, el campo magnético de la Tierra y la actividad solar. En incidencia vertical, las ondas con frecuencias mayores que la frecuencia del plasma electrónico (${\displaystyle f_{e}}$en Hz) del máximo de la capa F

(${\displaystyle N_{e}}$en${\displaystyle m^{-3}}$es la densidad electrónica) puede propagarse a través de la ionosfera casi sin perturbaciones. Las ondas con frecuencias menores que${\displaystyle f_{e}}$se reflejan dentro de las capas D, E y F de la ionosfera. ^{[ 2 ] [ 3 ]}${\displaystyle f_{e}}$es del orden de 8 a 15  MHz en condiciones diurnas. 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 de la ionosfera y en la capa E inferior. Una excepción es la propagación de silbidos de las 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) son comparables con la altura de la capa D de la ionosfera (aproximadamente 70  km durante el día y 90  km durante la noche). Por lo tanto, la teoría de rayos solo es aplicable a la propagación a corta distancia, mientras que la teoría de modos debe utilizarse para distancias mayores. La región entre la superficie terrestre y la capa D de la ionosfera se comporta, por consiguiente, como una guía de ondas para las ondas VLF y ELF.

En presencia del plasma ionosférico y el campo geomagnético , existen ondas electromagnéticas con frecuencias superiores a la girofrecuencia de los iones (aproximadamente 1  Hz). Las ondas con frecuencias inferiores a la girofrecuencia se denominan ondas hidromagnéticas. Las pulsaciones geomagnéticas, con periodos de segundos a minutos, así como las ondas de Alfvén, pertenecen a este tipo de ondas.

El prototipo de una antena de varilla vertical corta es un dipolo eléctrico vertical de Hertz en el que fluyen corrientes eléctricas alternas de frecuencia f. Su radiación de ondas electromagnéticas dentro de la guía de ondas Tierra-ionosfera se puede describir mediante una función de transferencia T(ρ,ω):

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, y${\displaystyle \omega =2\pi f}$la frecuencia angular . En el espacio libre, es${\displaystyle T=1}$Evidentemente, la guía de ondas Tierra-ionosfera es dispersiva, ya que la función de transferencia depende de la frecuencia. Esto significa que la velocidad de fase y la velocidad de grupo de las ondas dependen de la frecuencia.

En el rango VLF, la función de transferencia es la suma de una onda terrestre que llega directamente al receptor y ondas ionosféricas de múltiples saltos reflejadas en la capa D de la ionosfera (Figura 1).

Para la superficie terrestre real, la onda terrestre se disipa y depende de la orografía a lo largo de la trayectoria del rayo. ^{[ 5 ]} Sin embargo, para las ondas VLF a distancias más cortas, este efecto es de menor importancia y el factor de reflexión de la Tierra es${\displaystyle R_{e}=1}$, en una primera aproximación.

A distancias más cortas, solo la primera onda de salto del cielo es importante. La capa D se puede simular mediante una pared magnética (${\displaystyle R_{i}=-1}$) 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 electrónica 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 primera onda de salto muestra un patrón de interferencia con mínimos de interferencia si la diferencia entre las trayectorias de los rayos de la onda terrestre y la primera onda ionosférica es media 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 ionosférica se encuentra a una distancia horizontal de

donde c es la velocidad de la luz. En el ejemplo de la Figura 3, esto ocurre a  una distancia de aproximadamente 500 km.

La teoría de propagación de rayos de ondas VLF falla a distancias mayores porque en la suma de estas ondas se involucran ondas celestes multi-salto sucesivas, y la suma diverge. Además, se hace necesario tener en cuenta la Tierra esférica. La teoría de modos, que es la suma de 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 la disminución de la frecuencia, 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 ]}

Por debajo de lo 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 espaciado entre los mínimos de interferencia de los modos es constante y de aproximadamente 1000  km en este ejemplo. El primer modo se vuelve dominante a distancias mayores de aproximadamente 1500  km, porque el segundo modo está más fuertemente atenuado que el primer modo.

En el rango de las ondas ELF, solo la teoría de modos 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 las ondas que son parte integral de la circunferencia de la Tierra y tiene la frecuencia

con el radio de la Tierra. Los primeros picos de resonancia se encuentran en 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 ]}

La discusión anterior solo ilustra una imagen simple de la teoría de modos y rayos. Tratamientos más detallados requieren un programa de computadora grande. 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 del antípoda la intensidad del campo aumenta ligeramente. ^{[ 5 ]} Debido a la influencia del campo magnético terrestre, 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 se convierte en una onda polarizada vertical y horizontalmente. Además, el campo geomagnético da lugar a una no reciprocidad de ondas VLF. Las ondas que se propagan de este a oeste se atenúan más fuertemente que viceversa. Aparece un deslizamiento de fase cerca de la distancia del mínimo de interferencia profunda de la Ec. 3 . Durante el amanecer y/o el atardecer, a veces se produce 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 pueden utilizarse para localizar la actividad de tormentas eléctricas mediante mediciones de la diferencia del retardo de tiempo de grupo de las señales de rayos ( esfericas ) en frecuencias adyacentes hasta distancias de 10000  km. ^{[ 7 ]} Las resonancias de Schumann permiten determinar la actividad global de rayos. ^{[ 9 ]}

• resonador de Alfvén
• conducto atmosférico
• radio de onda corta
• Onda ionosférica
• Conductos troposféricos