efecto de la ionosfera
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Efecto de la Ionosfera. Descripción de la Ionosfera. Modelo de Plasma Simple. Influencia del Campo Magnético Terrestre. Refracción Ionosférica Ionogramas Modelos de Propagación Ionosférica. Cálculo de Enlace. Descripción de la Ionosfera. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
TYP -3 -1
Efecto de la Ionosfera
• Descripción de la Ionosfera.
• Modelo de Plasma Simple.
• Influencia del Campo Magnético Terrestre.
• Refracción Ionosférica
• Ionogramas
• Modelos de Propagación Ionosférica.
• Cálculo de Enlace.
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Descripción de la Ionosfera
• La ionosfera es la región de las capas altas de la atmósfera (60- 400 Km de altura) que debido a su ionización, refleja las señales radioeléctricas hasta unos 30 MHz.
• La ionización, presencia de electrones libres, se produce fundamentalmente por las radiaciones solares en las bandas de ultravioletas y rayos X. También contribuye a la misma otros fenómenos como los rayos cósmicos y los meteoritos.
– La densidad de electrones varía así según la hora del día y la estación del año. La radiación también varía siguiendo el ciclo de las manchas solares (11 años).
• La densidad de electrones varía con la altura y presenta determinados máximos relativos, llamados capas, debido a que:
– En las zonas más altas la densidad de átomos y moléculas es baja. La energía de radiación exterior es grande pero hay pocos átomos disponibles para ionizar.
– Al descender, las radiaciones ionizan los gases y su energía se absorbe gradualmente.– En las zonas más bajas los electrones e iones desaparecen puesto que la recombinación
predomina sobre la ionización al ser mayor la densidad de partículas.– Por otra parte, a partir de los 100 Km de altura, la composición de la atmósfera varía ya que
los gases se estratifican. Como cada gas (N2, O2, O, N) absorbe la radiación a partir de un cierto nivel energético, la densidad de ionización varía con la altura. presentando los distintos máximos locales (capas)
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Capas Ionósfericas
Densidad de electrones libres con la altura
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Características Generales de la Propagación Ionosférica.
• Ionosfera es una capa con distintos grados de ionización y de densidad electrónica a través de la altura.
• Los máximos de la densidad de electrones corresponden con mínimos del índice de refracción.
• La variación del índice de refracción es negativa con la altura lo que hace que los rayos se curven hacia la tierra.
• El hecho de que se pueda llegar a producir una reflexión total posibilita que el rayo vuelva a la tierra y que puedan existir comunicaciones a larga distancia.
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Variación de la Presión y Concentración con la Altura
• Expresión de la presión parcial de cada gas:
• Ecuación de los gases perfectos:
• Variación de la presión con la altura:
• Haciendo uso de la relación entre presión y concentración y considerando que la altura de escala del gas es independiente de h, se puede poner la concentración a una altura h0:
• Para una columna de altura h y sección unidad la concentración resulta:
dhgmndhgdP
TKnM
TRP
zePP 0
(1)
(2)
(3)
H
hhnn 0
0 exp
hnHdhhnh
(4)
(5)
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Efecto de la Radiación Solar en la Ionosfera.
• Penetración de la radiación ionizante:
• Intensidad de radiación en una columna de sección unidad y altura h:
• Tasa de producción de iones:
• Pérdida de partículas cargadas por recombinación– Existe un equilibrio dinámico en donde hay una tasa de iones que desaparecen por
unidad de tiempo y volumen.
– Se cumplen diversas leyes de recombinación:
– La frecuencia crítica es proporcional a la raíz de la máxima concentración de iones
– Las capas interiores se ven menos afectadas por la radiación solar por el efecto del apantallamiento de las superiores.
sec dhnIdI
sec
exp
Hn
II
eH
Iq
eqq
0
0 sec1exp
2Nq
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Modelo de Plasma Simple
• La propagación de las ondas electromagnéticas en la ionosfera se modela como la propagación en un plasma simple y frío:– Región del vacío (0 y 0 ) que contiene electrones libres en la que se puede despreciar
el movimiento térmico de los electrones.
• En un plasma con colisiones electrón-partículas (átomos, moléculas, iones, etc) por segundo, la velocidad de un electrón sometido a las fuerzas del campo electromagnético de una onda plana y del campo magnético estático terrestre H0 vale:
vmEedt
vdm
Er̂c
1veEe
0H
Er̂HveF
EeF
FFvmdt
vdm
0
00magnetica
electrica
magneticaelectrica
jm
Eev
Con E variando sinusoidalmente
La amplitud compleja de la velocidad del electrón vale:
Despreciando de momento el efecto de H0:
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• La corriente electrónica equivalente en el plasma de densidad N electrones/m3 es:
• En definitiva el plasma presenta una permitividad eq y una conductividad eq :
• Para frecuencias tales que /eq<<1 (plasma de bajas pérdidas) la onda se propaga con una constante de fase y una constante de atenuación :
22
2
eq
req0220
2
0eq
0
2
0eq
eqc
m
Ne
m
Ne1
jmj
Ne1j
Modelo de Plasma Simple
EjEEjEjmj
Ne1jEjJH eqeqc
0
2
00
HF
28
2
2
2
1082.2
8.8018.801
N
n
f
f
f
N
eq
req
preq
req0
23
reqc0
KmdBf
N1016,160
jj
(1)
(2)
Ejm
NevNeJ
2
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Aplicación a la Ionosfera: Atenuación de la Capa D
(h80 Km, Ndía109 /m3 , Nnoche107 /m3106/s)
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Consideraciones
• Dependencia con la frecuencia: – A la frecuencia crítica del plasma hay reflexión para cualquier ángulo de incidencia
ya que N llega a ser tan alto como para hacer n=0.
– A frecuencias mayores depende del ángulo de incidencia.
– Para la misma frecuencia rayos más rasantes se reflejan más abajo.
• Para un mismo ángulo de incidencia las frecuencias mayores se reflejan más arriba
• A frecuencias superiores a la crítica hay un margen de distancias para las que no llega ningún rayo. Esa distancia es la llamada distancia de salto.
• Para un punto fijo hay una frecuencia que le hace estar a la distancia de salto. Se denomina máxima frecuencia utilizable, MUF.
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Refracción Ionosférica. Frecuencias Críticas
n3
n1< n0
n2< n1
n0=10
1
2
3
• El índice de refracción disminuye con la altura h:
• Considerando un medio estratificado en planos paralelos un rayo incidente procedente de Tierra se curva hacia ésta de acuerdo con la Ley de Snell:
• Se alcanza una trayectoria horizontal (retorno a Tierra) cuando i=90º:
• En el caso de una incidencia vertical 0=0º:
de modo que existirá una “reflexión total” dentro de cada capa para aquellas frecuencias que sean inferiores, en orden creciente, a las frecuencias críticas de cada una
hfnhfN
Nfn
ii1100 sennsennsenn
0i senn
08,8012
f
Nni
maxmaxc N9N8,80f 2cF1cFcE fff
TYP -3 -12
• Cuando la incidencia no es vertical la frecuencia máxima que retorna de cada capa i depende del ángulo de incidencia 0: ley de la secante:
• Como el máximo ángulo de incidencia en la ionosfera (0max) se obtiene para una elevación =0º en Tierra (A), la frecuencia más elevada que retorna a Tierra, corresponde a la capa F2, y vale aproximadamente:
Refracción Ionosférica.Máxima Frecuencia Utilizable MUF
0i senn
02
2
0 sec1sen vimaximax
pffMUF
f
f
MHz30f4aha
hafsecfMUF 2Fc
222Fcmax02Fc2F
0max
hv(fcF2) 300 Km
a=6370 Km
IonosferaCapa F2
TierraA
B
O
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Ionogramas
• Para incidencia vertical se define la ALTURA VIRTUAL (hv) como:
La del punto ideal en que se produciría la reflexión para el mismo tiempo de propagación, si la velocidad fuese constante e igual a la de la luz en el vacío
– Se mide utilizando radares pulsados (sondas radioeléctricas) de frecuencia (f) variable, que miden el tiempo de propagación (), de ida y vuelta, de emisiones verticales.
• Un IONOGRAMA representa la variación de la altura virtual con la frecuencia.– Los desdoblamientos (aparición del rayo
extraordinario X) son causados por la anisotropía que imprime el campo magnético terrestre a la ionosfera.
c2
ffh v
TYP -3 -14
Curvas de Transmisión
• Lugar geométrico de los puntos (hv, fv) que satisfacen la geometría y la ley de la secante para una frecuencia oblicua y distancia determinada.
• Para una d fija tomando f como parámetro se obtienen las curvas de transmisión intersecando con el ionograma (hv, fv) correspondiente.
• Se observa:– Hay una frecuencia para la que se produce tangencia entre las curvas: MUF o JF.
– Para f oblicua > MUF la curva es secante a (hv, fv). Esto supone que hay dos caminos, separados pocos grados, para alcanzar esa distancia: rayo superior y rayo inferior.
– El rayo superior se atenúa más por tener mayor recorrido y atenuación específica.
• Características de atenuación:– Depende de la concentración y de la frecuencia de colisiones: alcanza un máximo en
la zona inferior de la capa E y cerca de la altura de reflexión.
– Disminuye al aumentar la frecuencia.
T Rhv
d
21
2
21
v
v h
dff
TYP -3 -15
Modelo de Propagación Ionosférica para Tierra Plana.
• Ley de la Secante– La altura virtual hv de una emisión a
frecuencia f y ángulo de incidencia 0 es la misma que le corresponde a la frecuencia fv en incidencia vertical, si se cumple:
• Máxima Frecuencia Utilizable (MUF)
• Factor de Máxima Frecuencia Utilizable (MUFF)
• Frecuencia óptima de trabajo (OWF): decilo inferior de los valores de la MUF de explotación
0v secff
Altura virtualhv= PE
Altura real: PB=z0+h0
A C
B
D
PT R
E
z0
h
Alcance d=TR
0ic0i secfMUF
2
vici h2
d1fdMUF
2F,1F,EifdMUFdMUFF icii
Modelo de Tierra Plana
0magraionov0v secfh,fh
dMUF85,0dOWF ii
Km4000d
Km300h
º74
2cF
max00
Límite del Modelo:
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Influencia del Campo Magnético TerrestreRotación de Faraday
• La influencia del campo magnético terrestre depende de la orientación de E respecto de H0. (Vease transparencia TYP-3-7). Sin excesivo detalle:
– Si la onda se propaga perpendicular a H0 y E está polarizado también según H0 el término evx0H0 =0 , no se produce efecto alguno.
– En cualquier otra caso la presencia del campo magnético imprime un movimiento de rotación a los electrones.
• Para el caso en que la propagación sea a lo largo de H0 el movimiento circular es de radio r, con una velocidad de:
– v=Hr=2fHr, siendo fH la frecuencia de rotación o frecuencia giromagnética que se puede obtener igualando:
– fH varía entre 0,7 y 1,9 MHz según el punto de la Tierra.
• Cuando se tiene en cuenta este efecto giratorio de los electrones, la constante dieléctrica compleja c, toma dos posibles valores, teniendo por lo tanto carácter tensorial:
H00
H00H2
2
00centrifugamagnética f2m
HeHem
r
vmHevFF
H0
2
0c jmj
Ne1 (1)
TYP -3 -17
Predicción de las MUF (I, parámetros geográficos)
• Datos necesarios para la predicción de las MUF:– Datos geográficos de los terminales: longitud (W-, E+) y latitud (N+, S-).
– Datos de efemérides:hora, día y mes del año de la predicción.
– Datos de actividad solar: media móvil de manchas solares para la predicción.
• Parámetros geográficos del circuito:– Arco de círculo máximo:
– Longitud del circuito:
– Acimut del trayecto:
– Puntos de control:
• Propagación por capa E:
– d<2000 km, un solo punto en el medio.
– d>2000 km, dos puntos situados a 1000 km de TX y RX.
• Propagación por capa F2:
– Determinación de dmáx (4000 km) y número de saltos:
– Determinación de los puntos de control
212121 coscoscossensenarccos wwllll aradd
sencoscossensenarccos
sencoscossensenarccos
221
112
lll
lll
RT
TR
dndddEn 1máx ;1
TYP -3 -18
• Parámetros de efemérides:
Predicción de las MUF (II, parámetros de efemérides)
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Cálculo del Enlace:Camino de Propagación y Ángulo de Emisión.
0
P
a=6370 Km
Ionosfera
Tierra
T
O
R
D
E
hv
d=TR=Alcance
rada2
d
coshaa2haa2TER v2
v22
hvAltura media ionograma para la capa considerada(E: 110 Km, F1:225 Km, F2:325 Km F:300 Km)
v
0 hcos1a
senaatan
Camino de Propagación TER:
02
Angulo de Emisión :
isrtt
r LTERLGGdBP
P
• Gt y Gr: ganancias de las antenas• Ls: pérdidas de espacio libre=20log(/4TER)• Li: pérdidas de la ionosfera
Pérdidas del Enlace:
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Radiodifusión de Onda Corta: Zona de Sombra
• Para radiodifusión a distancias medias se utilizan frecuencias inferiores a la frecuencia crítica de la capa F2 asegurando el retorno sobre toda la zona de cobertura.
• Para conseguir cobertura a gran distancia es necesario utilizar frecuencias más altas que las anteriores, próximas a la MUFF2. En este caso aparece una zona de sombra, sin señal, entorno al transmisor.– El límite de la zona de sombra se obtiene a partir de la hv de la capa F2 y del ángulo 0min , obtenido a su vez de:
Ondas Ionosféricas
Onda de Tierra
Ionosfera
Zona de Sombra Zona de Cobertura
0min
min02cFemision secff