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señal atmosférica de radio

Un gráfico de frecuencia frente al tiempo ( espectrograma ) que muestra varias señales de silbidos en medio de un fondo de esféricos, tal como se recibieron en la Estación Palme...

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Un gráfico de frecuencia frente al tiempo ( espectrograma ) que muestra varias señales de silbidos en medio de un fondo de esféricos, tal como se recibieron en la Estación Palmer , Antártida , el 24 de agosto de 2005.

Una señal radioatmosférica o esférico (a veces también escrito "spheric") es un impulso electromagnético de banda ancha que se produce como resultado de descargas atmosféricas naturales . Los esféricos pueden propagarse desde su fuente de rayos sin atenuación significativa en la guía de ondas Tierra-ionosfera y pueden recibirse a miles de kilómetros de su origen. En un gráfico de dominio temporal, un esférico puede aparecer como un único pico de alta amplitud en los datos de dominio temporal. En un espectrograma , un esférico aparece como una franja vertical (que refleja su naturaleza impulsiva y de banda ancha) que puede extenderse desde unos pocos kHz hasta varias decenas de kHz, dependiendo de las condiciones atmosféricas.

Las señales esféricas recibidas desde una distancia de unos 2.000 kilómetros o más tienen sus frecuencias ligeramente desfasadas en el tiempo, lo que produce fluctuaciones .

Cuando la energía electromagnética de una esfera escapa de la guía de ondas Tierra-ionosfera y entra en la magnetosfera , se dispersa por el plasma cercano a la Tierra , formando una señal de silbido . Dado que la fuente del silbido es un impulso (es decir, la esfera), este puede interpretarse como la respuesta impulsional de la magnetosfera (para las condiciones de ese instante particular).

Introducción

Un canal de rayo con todas sus ramificaciones y sus corrientes eléctricas se comporta como un enorme sistema de antenas desde el cual se irradian ondas electromagnéticas de todas las frecuencias. Más allá de una distancia donde la luminosidad es visible y se puede oír el trueno (típicamente unos 10  km), estos impulsos electromagnéticos son las únicas fuentes de información directa sobre la actividad de la tormenta eléctrica en tierra. Las corrientes eléctricas transitorias durante las descargas de retorno (descargas R) o las descargas intracloud (descargas K) son las principales fuentes para la generación de radiación electromagnética de tipo impulso conocida como esféricos (a veces llamados atmosféricos). [ 1 ] Si bien esta radiación impulsiva domina en frecuencias menores a unos 100  kHz, (llamadas vagamente ondas largas), un componente de ruido continuo se vuelve cada vez más importante en frecuencias más altas. [ 2 ] [ 3 ] La propagación electromagnética de onda larga de los esféricos tiene lugar dentro de la guía de ondas Tierra-ionosfera entre la superficie de la Tierra y las capas D y E de la ionosfera . Los silbidos generados por descargas eléctricas pueden propagarse en la magnetosfera a lo largo de las líneas de fuerza geomagnéticas . [ 4 ] [ 5 ] Finalmente, los relámpagos o sprites de la atmósfera superior , que ocurren en altitudes mesosféricas, son fenómenos de ruptura eléctrica de corta duración, probablemente generados por eventos de relámpagos gigantes en el suelo.

Propiedades de origen

Parámetros básicos del accidente cerebrovascular

En una descarga típica de nube a tierra (descarga R), la carga eléctrica negativa (electrones) del orden de Q ≈ 1 C almacenada dentro del canal del rayo se baja a tierra dentro de un intervalo de tiempo de impulso típico de τ = 100 μs. Esto corresponde a una corriente promedio que fluye dentro del canal del orden de J ≈ Q ⁄ τ = 10 kA. La energía espectral máxima se genera cerca de frecuencias de f ≈ 1 ⁄ τ = 10 kHz , [ 6 ] o en longitudes de onda de λ = c ⁄ f ≈ 30 km (donde c es la velocidad de la luz). En descargas K intracloud típicas, la carga eléctrica positiva del orden de Q ≈ 10 mC en la parte superior del canal y una cantidad equivalente de carga negativa en su parte inferior se neutralizan dentro de un intervalo de tiempo típico de τ ≈ 25 μs. Los valores correspondientes para la corriente eléctrica promedio, la frecuencia y la longitud de onda son J ≈ 400 A, f ≈ 40 kHz y λ ≈ 7,5 km. La energía de los rayos K es, en general, dos órdenes de magnitud menor que la energía de los rayos R. [ 7 ]

La longitud típica de los canales de rayos se puede estimar en el orden de ℓ ≈ ⁠ 1 / 4 ⁠ λ = 8 km para descargas R y ℓ ≈ ⁠ 1 / 2 ⁠ λ = 4 km para descargas K. A menudo, un componente de corriente continua fluye entre descargas R sucesivas. [ 1 ] Su tiempo de "pulso" suele variar entre aproximadamente 10–150 ms, su corriente eléctrica es del orden de J ≈ 100 A, correspondiente a los números de Q ≈ 1–20 C, f ≈ 7–100 Hz y λ ≈ 3–40 Mm . Tanto las descargas R como las K producen esféricos que se ven como una forma de onda de impulso coherente dentro de un receptor de banda ancha sintonizado entre 1–100  kHz. La intensidad del campo eléctrico del impulso aumenta hasta un valor máximo en unos pocos microsegundos y luego disminuye como un oscilador amortiguado. [ 8 ] [ 9 ] La orientación del aumento de la intensidad del campo depende de si se trata de una descarga negativa o positiva.

La parte visible del canal de un rayo tiene una longitud típica de unos 5  km. Otra parte de longitud similar puede estar oculta en la nube y presentar una ramificación horizontal significativa. Evidentemente, la longitud de onda dominante de las ondas electromagnéticas de los rayos R y K es mucho mayor que la longitud de sus canales. Por lo tanto, la física de la propagación de ondas electromagnéticas dentro del canal debe derivarse de la teoría de ondas completas, ya que el concepto de rayo resulta inaplicable.

Corriente eléctrica en el canal

El canal de un rayo R puede considerarse como un hilo delgado aislado de longitud L y diámetro d en el que se ha almacenado una carga eléctrica negativa. En términos de teoría de circuitos eléctricos , se puede adoptar un modelo simple de línea de transmisión con un capacitor , donde se almacena la carga, una resistencia del canal y una inductancia que simula las propiedades eléctricas del canal. [ 10 ] En el momento del contacto con la superficie terrestre perfectamente conductora, la carga se descarga a tierra. Para cumplir las condiciones de contorno en la parte superior del hilo (corriente eléctrica cero) y en tierra (tensión eléctrica cero), solo pueden existir modos de ondas resonantes estacionarias. El modo fundamental que transporta la carga eléctrica a tierra de manera más efectiva tiene, por lo tanto, una longitud de onda λ cuatro veces la longitud del canal L. En el caso del rayo K, el límite inferior es el mismo que el límite superior. [ 7 ] [ 10 ] Por supuesto, esta imagen es válida solo para el modo de onda 1 (antena λ/4) y quizás para el modo 2 (antena λ/2), porque estos modos aún no "perciben" la configuración distorsionada del canal real del rayo. Los modos de orden superior contribuyen a las señales ruidosas incoherentes en el rango de frecuencia más alta (> 100  kHz).

Función de transferencia de la guía de ondas Tierra-ionosfera

Las ondas esféricas pueden simularse aproximadamente mediante el campo de radiación electromagnética de una antena dipolo hertziana vertical . La amplitud espectral máxima de la onda esférica suele estar cerca de los 5 kHz. Más allá de este máximo, la amplitud espectral disminuye como 1/f si la superficie terrestre fuera perfectamente conductora. El efecto del suelo real es atenuar las frecuencias más altas con mayor intensidad que las frecuencias más bajas ( onda terrestre de Sommerfeld ). 

Las descargas R emiten la mayor parte de su energía dentro del rango ELF/VLF ( ELF = frecuencias extremadamente bajas, < 3  kHz; VLF = frecuencias muy bajas, 3 – 30  kHz). Estas ondas se reflejan y atenúan en el suelo, así como dentro de la capa D de la ionosfera, cerca de los 70  km de altitud durante el día y cerca de los 90  km de altura durante la noche. La reflexión y la atenuación en el suelo dependen de la frecuencia, la distancia y la orografía . En el caso de la capa D de la ionosfera, dependen, además, de la hora del día, la estación, la latitud y el campo geomagnético de una manera compleja. La propagación VLF dentro de la guía de ondas Tierra-ionosfera se puede describir mediante la teoría de rayos y la teoría de ondas. [ 11 ] [ 12 ]

Cuando las distancias son inferiores a unos 500  km (dependiendo de la frecuencia), la teoría de rayos resulta apropiada. La onda terrestre y la onda de primer salto (o onda ionosférica) reflejada en la capa D de la ionosfera interfieren entre sí.

A distancias superiores a unos 500  km, deben añadirse las ondas ionosféricas reflejadas varias veces en la ionosfera. Por lo tanto, la teoría modal resulta más apropiada en este caso. El primer modo es el que menos se atenúa dentro de la guía de ondas Tierra-ionosfera y, por consiguiente, predomina a distancias superiores a unos 1000  km.

La guía de ondas Tierra-ionosfera es dispersiva. Sus características de propagación se describen mediante una función de transferencia T(ρ, f) que depende principalmente de la distancia ρ y la frecuencia f. En el rango VLF, solo el modo uno es importante a distancias mayores de aproximadamente 1000  km. La menor atenuación de este modo ocurre alrededor de 15  kHz. Por lo tanto, la guía de ondas Tierra-ionosfera se comporta como un filtro de paso de banda, seleccionando esta banda de una señal de banda ancha. La  señal de 15 kHz predomina a distancias mayores de aproximadamente 5000  km. Para ondas ELF (< 3  kHz), la teoría de rayos deja de ser válida y solo la teoría de modos es apropiada. Aquí, el modo cero comienza a predominar y es responsable de la segunda ventana a mayores distancias.

Las ondas resonantes de este modo cero pueden excitarse en la cavidad de la guía de ondas Tierra-ionosfera, principalmente por los componentes de corriente continua del rayo que fluyen entre dos descargas de retorno. Sus longitudes de onda son fracciones enteras de la circunferencia de la Tierra, y sus frecuencias de resonancia pueden determinarse aproximadamente mediante f m  ≃ mc /(2π a ) ≃ 7,5 m Hz (con m = 1, 2, ...; a el radio de la Tierra y c la velocidad de la luz). Estos modos resonantes con su frecuencia fundamental de f 1 ≃ 7,5 Hz se conocen como resonancias de Schumann . [ 13 ] [ 14 ]        

Monitoreo de la actividad de tormentas eléctricas con esferos.

Aproximadamente 100 rayos por segundo se generan en todo el mundo, excitados por tormentas eléctricas ubicadas principalmente en áreas continentales de latitudes bajas y medias. [ 15 ] [ 16 ] Para monitorear la actividad de las tormentas eléctricas, los esféricos son el medio apropiado.

Las mediciones de resonancias Schumann en solo unas pocas estaciones alrededor del mundo pueden monitorear la actividad global de rayos con bastante precisión. [ 14 ] Se puede aplicar la propiedad dispersiva de la guía de ondas Tierra-ionosfera midiendo la velocidad de grupo de una señal esférica en diferentes frecuencias junto con su dirección de llegada. La diferencia de retardo de tiempo de grupo de frecuencias vecinas en la banda VLF inferior es directamente proporcional a la distancia de la fuente. Dado que la atenuación de las ondas VLF es menor para la propagación de oeste a este y durante la noche,  se puede observar actividad de tormentas eléctricas hasta distancias de aproximadamente 10 000 km para señales que llegan desde el oeste durante la noche. De lo contrario, el alcance de transmisión es del orden de 5000  km. [ 17 ]

Para el rango regional (< 1000  km), el método habitual consiste en la localización magnética y la medición del tiempo de llegada de una señal esférica observada simultáneamente en varias estaciones. [ 18 ] Se presume que dichas mediciones se centran en un impulso individual. Si se miden simultáneamente varios pulsos, se produce interferencia con una frecuencia de batido igual al tiempo de secuencia promedio inverso de los pulsos.

Ruido atmosférico

La relación señal-ruido determina la sensibilidad de los sistemas de telecomunicaciones (por ejemplo, los receptores de radio). Una señal analógica debe superar claramente la amplitud del ruido para ser detectable. El ruido atmosférico es una de las principales limitaciones en la detección de señales de radio.

Las corrientes de descarga eléctrica constantes en un canal de rayo causan una serie de impulsos incoherentes en todo el rango de frecuencias, cuyas amplitudes disminuyen aproximadamente con la frecuencia inversa. En el rango ELF,  predomina el ruido técnico de 50 a 60 Hz, el ruido natural de la magnetosfera, etc. En el rango VLF, aparecen los impulsos coherentes de las descargas R y K, que surgen del ruido de fondo. [ 19 ] Más allá de unos 100  kHz, la amplitud del ruido se vuelve cada vez más incoherente. Además, se superpone el ruido técnico de los motores eléctricos, los sistemas de encendido de los automóviles, etc. Finalmente, más allá de la banda de alta frecuencia (3–30  MHz) predomina el ruido extraterrestre (ruido de origen galáctico, ruido solar). [ 2 ] [ 3 ]

El ruido atmosférico depende de la frecuencia, la ubicación y la hora del día y del año. Las mediciones mundiales de ese ruido están documentadas en los informes del CCIR. [ a ] ​​[ 20 ]

Véase también

Notas a pie de página

  1. ^ El acrónimo CCIR significa Comité Consultatif International des Radiocommunications (Comité Consultivo Internacional sobre Radiocomunicaciones).

Referencias

  1. 1 2 Uman, MA (1980), The Lightning Discharge , Nueva York: Academic Press
  2. 1 2 Lewis, EA (1982), "Ruido de radio de alta frecuencia", en Volland, H. (ed.), CRC Handbook of Atmospherics , vol. I, Boca Raton, Florida: CRC Press , pp. 251–288 , ISBN   9780849332265
  3. 1 2 Proctor, DE (1995), "Ruido radioeléctrico por encima de 300 kHz debido a causas naturales", en Volland, H. (ed.), Manual de electrodinámica atmosférica , vol. I, Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 311–358 , ISBN    9780849386473
  4. ↑ Hayakawa, M. (1995), "Whistlers", en Volland, H. (ed.), Handbook of Atmospheric Electrodynamics , vol. II, Boca Raton, Florida: CRC Press, pp . 155–193  
  5. ↑ Park, CG (1982), "Whistlers", en Volland, H (ed.), CRC Handbook of Atmospherics , vol. II, Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 21–77 , ISBN   0849332273
  6. ↑ Serhan, GL; et al. (1980), "Los espectros de RF de las primeras descargas de retorno de rayos y las subsiguientes en el rango ℓ ≈ 100 km ", Radio Science , 15 (108), doi : 10.1029/RS015i006p01089 
  7. 1 2 Volland, H. (1995), "Propagación de ondas esféricas de onda larga dentro de la guía de ondas atmosférica", en Volland, H. (ed.), Manual de electrodinámica atmosférica , vol. II, Boca Raton, Florida: CRC Press, pp . 65–93  
  8. ↑ Lin, YT; et al. (1979). "Caracterización de los campos eléctricos y magnéticos de descargas de retorno de rayos a partir de mediciones simultáneas en dos estaciones". J. Geophys. Res . 84 (C10): 6307. Bibcode : 1979JGR....84.6307L . doi : 10.1029/JC084iC10p06307 . 
  9. ↑ Weidman, CD; Krider, EP (1979). "Las formas de onda del campo de radiación producidas por los procesos de descarga de rayos intracloud". J. Geophys. Res . 84 (C6): 3159. Bibcode : 1979JGR....84.3159W . doi : 10.1029/JC084iC06p03159 .
  10. 1 2 Volland, H. (1984), Electrodinámica atmosférica , Berlín: Springer
  11. ↑ Wait, JR (1982), Teoría de la propagación de ondas , Nueva York: Pergamon Press
  12. ↑ Harth, W. (1982), "Teoría de la propagación de ondas de baja frecuencia", en Volland, H. (ed.), CRC Handbook of Atmospherics , vol. II, Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 133–202 , ISBN   0849332273
  13. ↑ Polk, C. (1982), "Resonancias de Schumann", en Volland, H. (ed.), CRC Handbook of Atmospherics , vol. I, Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 111–178 , ISBN   9780849332265
  14. 1 2 Sentman, DD (1995), "Resonancias de Schumann", en Volland, H. (ed.), Manual de electrodinámica atmosférica , vol. I, Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 267–295 , ISBN   9780849386473
  15. ↑ Vonnegut, B. (1982), "La física de las nubes de tormenta", en Volland, H. (ed.), CRC Handbook of Atmospherics , vol. I, Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 1–22 , ISBN   9780849332265
  16. ↑ Williams, ER (1995), "Aspectos meteorológicos de las tormentas eléctricas", en Volland, H. (ed.), Manual de electrodinámica atmosférica , vol. I, Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 27–60 , ISBN   9780849386473
  17. ↑ Grandt, C. (1992), "Monitoreo de tormentas eléctricas en Sudáfrica y Europa mediante esféricos VLF", J. Geophys. Res. , 97 (D16): 18215, Bibcode : 1992JGR....9718215G , doi : 10.1029/92JD01623
  18. ↑ Orville, RE (1995), "Detección de rayos desde tierra y espacio", en Volland, H. (ed.), Manual de electrodinámica atmosférica , vol. I, Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 137–149 , ISBN   9780849386473
  19. ↑ Fraser-Smith, AC (1995), "Ruido radioeléctrico de baja frecuencia", en Volland, H. (ed.), Manual de electrodinámica atmosférica , vol. I, Boca Raton, Florida: CRC Press, pp. 297–310 , ISBN   9780849386473
  20. ↑ Spaulding, AD (1995). «El ruido atmosférico y sus efectos en el rendimiento de los sistemas de telecomunicaciones». En Volland, H. (ed.). Manual de electrodinámica atmosférica . Vol. I. Boca Raton, Florida: CRC Press. pp. 359–395 . ISBN   9780849386473.
  • http://www.srh.noaa.gov/oun/wxevents/19550525/stormelectricity.php
  • La radio en el espacio y el tiempo: Whistler, Sferics y Tweeks , G. Wiessala en RadioUser 1/2013, Reino Unido
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