Capas ionosféricas: D, E, F, F1, F2,

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Dentro de la ionosfera hay varias regiones ionosféricas diferentes que afectan la propagación de señales de radio y comunicaciones de radio de diferentes maneras: la capa D, la capa E, la capa F que se divide en capas F1 y F2 afectan a las señales de radio de manera diferente.

La visión tradicional de la ionosfera indica una serie de capas distintas, cada una afectando las comunicaciones de radio de HF de maneras ligeramente diferentes. De hecho, los primeros descubrimientos de la ionosfera indicaron que había una serie de capas presentes.

Las capas fueron designadas como las capas D, E y F de la ionosfera, y el concepto de capas distintas con estos nombres se ha mantenido durante muchos años.

Al mirar la ionosfera y la forma en que afecta a las señales de radio, vale la pena echar un vistazo más de cerca a la propagación de la ionización dentro de la ionosfera y cómo las diferentes regiones de la ionosfera afectan a las señales de radiocomunicaciones y cómo se puede utilizar esto.

Regiones ionosféricas

Si bien el concepto de las distintas capas D, E y F es una forma conveniente de imaginar la estructura de la ionosfera, no es exactamente correcto. La ionización existe en toda la ionosfera, su nivel varía con la altitud. Los picos de nivel se pueden considerar como las diferentes capas o posiblemente más correctamente, regiones. Por lo tanto, la terminología D, E y F regiones es más apropiada.

También hay una región C por debajo de las otras, pero el nivel de ionización es tan bajo que no tiene ningún efecto de señales de radio y comunicaciones de radio, y rara vez se menciona.

La distribución electrónica típica en la ionosfera
La distribución electrónica típica en la ionosfera

 

Las diferentes capas o regiones de la ionosfera tienen diferentes características y afectan las comunicaciones por radio de diferentes maneras. También hay diferencias en la forma exacta en que se crean y sostienen. En vista de esto, vale la pena echar un vistazo más de cerca a cada uno en detalle y la forma en que varían durante todo el día durante la luz y la oscuridad.

D Región

Cuando una onda celeste abandona la superficie terrestre y viaja hacia arriba, la primera región de interés que alcanza en la ionosfera se llama capa D o región D.

Está presente a altitudes entre unos 60 y 90 kilómetros y la radiación dentro de él solo está presente durante el día hasta un punto que afecta notablemente a las ondas de radio. Es sostenido por la radiación del Sol y los niveles de ionización caen rápidamente al anochecer cuando se elimina la fuente de radiación.

La capa D se genera principalmente por la acción de una forma de radiación conocida como radiación Lyman que tiene una longitud de onda de 1215 Angstroms e ioniza el gas de óxido nítrico presente en la atmósfera. Los rayos X duros también contribuyen a la ionización, especialmente hacia el pico del ciclo solar.

La capa D o región D tiene principalmente el efecto de absorber o atenuar las señales de radiocomunicaciones particularmente en las porciones LF y MF del espectro radioeléctrico, su efecto se reduce con la frecuencia creciente.

Por la noche, la caída en el nivel de ionización significa que tiene poco efecto en la mayoría de las señales de radiocomunicaciones, aunque todavía hay suficiente para refractar las señales VLF.

Esta región atenúa las señales a medida que pasan. El nivel de atenuación depende de la frecuencia. Las frecuencias bajas se atenúan más que las más altas. De hecho, se encuentra que la atenuación varía a medida que el cuadrado inverso de la frecuencia, es decir, duplicar la frecuencia reduce el nivel de atenuación en un factor de cuatro. Esto significa que a menudo se impide que las señales de baja frecuencia lleguen a las regiones más altas, excepto por la noche, cuando la región desaparece.

atenuación =kf2atenuación=kf2

Dónde:
k = constante
f = frecuencia de operación (Hz)

La región D atenúa las señales porque las señales de radio hacen que los electrones libres en la región vibren. A medida que vibran, los electrones chocan con moléculas, y en cada colisión hay una pequeña pérdida de energía. Con incontables millones de electrones vibrando, la cantidad de pérdida de energía se hace notable y se manifiesta como una reducción en el nivel general de señal. La cantidad de pérdida de señal depende de una serie de factores.

  • Número de moléculas de gas presentes: Un factor es el número de moléculas de gas que están presentes. Cuanto mayor sea el número de moléculas de gas, mayor será el número de colisiones y, por lo tanto, mayor será la atenuación. A la altitud donde existe la región D, todavía hay un nivel relativamente alto de moléculas de gas y, por lo tanto, hay un número lo suficientemente grande de colisiones ion-moléculas como para absorber una gran cantidad de energía en muchas circunstancias.
  • Nivel de ionización: El nivel de ionización también es muy importante. Cuanto mayor sea el nivel de ionización, mayor será el número de electrones que vibran y chocan con las moléculas.
  • Frecuencia de la señal: El tercer factor principal es la frecuencia de la señal. A medida que aumenta la frecuencia, la longitud de onda de la vibración se acorta y el número de colisiones entre los electrones libres y las moléculas de gas disminuye. Como resultado, las señales más bajas en el espectro de radiofrecuencias se atenúan mucho más que las que son más altas en frecuencia. Aún así, las señales de alta frecuencia todavía sufren alguna reducción en la intensidad de la señal.

En términos prácticos, se encuentra que el nivel de atenuación es suficiente para evitar que las señales en la porción MF del espectro alcancen las capas más altas. Sin embargo, por la noche, cuando la ionización en la región D se cae, son capaces de alcanzar las capas superiores y se pueden escuchar señales desde más lejos. Esto es evidente en la banda de onda media y frecuencias más altas donde las señales son absorbidas por la región D.

Las señales a frecuencias más altas que son «reflejadas» por regiones más altas de la ionosfera también se atenuarán en cierta medida, aunque esto dependerá de la frecuencia. Vale la pena señalar que para cada reflexión la señal tendrá que pasar a través de la región D dos veces, atenuándose cada vez. Por lo tanto, las señales que se reflejan varias veces pueden sufrir grados significativos de atenuación.

Región E

La región E o capa E está por encima de la región D. Existe a altitudes entre unos 100 y 125 kilómetros. En lugar de atenuar las señales de comunicaciones por radio, esta capa las refracta principalmente, a menudo hasta un grado en el que son devueltas a la tierra. Como tales, parecen haber sido reflejados por esta capa. Sin embargo, esta capa todavía actúa como un atenuador hasta cierto punto.

A la altitud donde existe la capa E o la región E, la densidad del aire es mucho menor que para la región D. Esto significa que cuando los electrones libres son excitados por señales de radio y vibran, se producen muchas menos colisiones. Como resultado, la forma en que actúa la capa E o la región E es algo diferente. Los electrones son nuevamente puestas en movimiento por la señal de radio, pero tienden a volver a irradiarla. A medida que la señal viaja en un área donde la densidad de electrones está aumentando, cuanto más progresa en la región, la señal se refracta lejos del área de mayor densidad de electrones. En el caso de las señales de HF, esta refracción a menudo es suficiente para doblarlas de vuelta a la tierra. En efecto, parece que la región ha «reflejado» la señal.

La tendencia a esta «reflexión» depende de la frecuencia y el ángulo de incidencia. A medida que aumenta la frecuencia, se encuentra que la cantidad de refracción disminuye hasta que se alcanza una frecuencia donde las señales pasan a través de la región y pasan a la siguiente. Eventualmente se alcanza un punto donde la señal pasa a través de la capa E a la siguiente capa por encima de ella.

Al igual que la región D, el nivel de ionización cae relativamente rápido después del anochecer a medida que los electrones e iones se vuelven acombinar y prácticamente desaparece por la noche. Sin embargo, la ionización nocturna residual en la parte inferior de la región E causa cierta atenuación de las señales en las partes inferiores de la parte de HF del espectro de comunicaciones radioeléctricas.

La ionización en esta región es el resultado de una serie de tipos de radiación. Los rayos X blandos producen gran parte de la ionización, aunque los rayos ultravioleta extremo (EUV) (luz ultravioleta de longitud de onda muy corta) también contribuyen. En general, la radiación que produce ionización en esta región tiene longitudes de onda entre aproximadamente 10 y 100 Angstroms. El grado al que todos los constituyentes contribuyen depende del estado del Sol y la latitud a la que se realizan las observaciones.

F Región

La región más importante de la ionosfera para las comunicaciones por radio HF de larga distancia es la región F. Durante el día, cuando se recibe radiación del Sol, a menudo se divide en dos: la inferior es la región F1 y la superior, la región F2. De estos, la región F1 es más un punto de inflexión en la curva de densidad de electrones (vista arriba) y generalmente solo existe en el verano.

Por lo general, la capa F1 se encuentra a alrededor de 300 kilómetros con la capa F2 por encima de ella a unos 400 kilómetros. La capa F combinada puede entonces estar centrada alrededor de 250 a 300 kilómetros. La altitud de todas las capas en las capas de ionosfera varía considerablemente y la capa F varía más. Como resultado, las cifras dadas solo deben tomarse como una guía aproximada. Siendo la más alta de las regiones ionosféricas, se ve muy afectada por el estado del Sol, así como por otros factores, como la hora del día, el año y así sucesivamente.

La capa F actúa como un «reflector» de señales en la porción de HF del espectro radioeléctrico, lo que permite establecer comunicaciones de radio en todo el mundo. Es la región principal asociada con la propagación de señales de HF.

La acción de la capa F sobre las señales de radio es la misma que para la capa E, aunque con la densidad del aire siendo menor, hay menos colisiones y se pierde menos energía. Como resultado, las señales que se reflejan en la capa F, y en particular la F2 más tarde están sujetas a bajos niveles de atenuación. Como resultado, incluso las señales de baja potencia se pueden escuchar a grandes distancias.

Al igual que las capas D y E, el nivel de ionización de la región F varía a lo largo del día, cayendo por la noche a medida que desaparece la radiación del Sol. Sin embargo, el nivel de ionización sigue siendo mucho más alto. La densidad de los gases es mucho menor y como resultado la recombinación de los iones y electrones tiene lugar más lentamente, aproximadamente a una cuarta parte de la velocidad que ocurre en la región E. Como resultado de esto, todavía tiene un efecto en las señales de radio por la noche, pudiendo devolver muchas a la Tierra, aunque tiene un efecto reducido en algunos aspectos.

La región F está en la región más alta de la ionosfera y, como tal, experimenta la mayor radiación solar. Gran parte de la ionización resulta de la luz ultravioleta en el centro del espectro, así como de aquellas partes del espectro con longitudes de onda muy cortas. Típicamente, la radiación que causa la ionización está entre las longitudes de onda de 100 y 1000 Angstroms, aunque la luz ultravioleta extrema es responsable de alguna ionización en las áreas inferiores de la región F.

Variaciones ionosféricas

Ya se ha visto que la hora del día causa algunos cambios muy significativos en el estado de la ionosfera a medida que el nivel de ionización cae por la noche. Sin embargo, hay muchos otros factores que también afectan a la ionosfera. El principal es el propio Sol, pero otros factores incluyen la temporada y la posición en el globo.

  • Cambios estacionales: De la misma manera que la cantidad de calor que reciben los lugares de la Tierra varía con las estaciones, también lo hace la cantidad de radiación recibida por la ionosfera. Esto resulta del hecho de que en verano la radiación recibida se extiende por un área más pequeña, ya que la superficie de la Tierra está más cerca de estar en ángulo recto con la dirección de la radiación. En invierno, la superficie de la Tierra está en un ángulo mayor y la radiación tiene que extenderse sobre un área más grande. Como resultado, la ionosfera recibe menos radiación en invierno que en verano.

    Las regiones D y E responden como se esperaba con niveles más bajos de ionización en invierno que en verano, y la región F1 también sigue un patrón similar. Sin embargo, para la región F2 hay otros factores que influyen y responde de una manera diferente.

    Para la región F2, el efecto de calentamiento del Sol juega un papel crucial en la forma en que responde. La temperatura durante el invierno es mucho menor que en el verano, como resultado del calor del Sol que se extiende sobre un área más grande porque el sol está más bajo en el cielo. En verano, la temperatura del gas aumenta en la región F2, por lo que la actividad en el aire aumenta y un mayor número de moléculas se elevan más arriba en la atmósfera. En invierno, a medida que baja la temperatura, las moléculas más pesadas caen, dejando que los átomos más ligeros suban a la cima.

    Esto significa que en invierno hay una mayor proporción de átomos a la mayor altitud de la región F2. Los átomos son más fáciles de ionizar que las moléculas de gas, por lo que el número de objetivos adecuados para que la radiación ionice también aumenta. Como resultado, los niveles de ionización diurna son en realidad más altos en invierno que en verano. El efecto general es que los niveles máximos de ionización durante el día aumentan más en invierno que en verano, pero caen a un nivel más bajo ya que la radiación del Sol está presente durante una proporción menor del tiempo.

     

  • Variaciones geográficas: Los niveles de ionización también se ven afectados por la posición en el globo. Hay variaciones naturales que surgen de la latitud donde las regiones polares que reciben menos radiación y las regiones ecuatoriales disfrutan de niveles mucho más altos de radiación. En términos generales, esto resulta en niveles más altos de ionización para las regiones D, E y F1 en las áreas ecuatoriales que hacia los polos.

    La región F2 tiene una serie de otros factores que afectan su nivel de ionización, incluido el campo magnético de la Tierra, y también recibe ionización de otras fuentes. Como resultado de estos, se encuentra que los niveles de ionización son más altos alrededor de Asia y Australia que en el hemisferio occidental, incluyendo África, Europa y América del Norte.

Resumen

La ionosfera es un área en continuo cambio de la atmósfera. Extendiéndose desde altitudes de alrededor de 60 kilómetros a más de 400 kilómetros, contiene iones y electrones libres. Los electrones libres afectan las formas en que las ondas de radio se propagan en esta región y tienen un efecto significativo en las comunicaciones de radio de HF.

La ionosfera se puede clasificar en una serie de regiones correspondientes a picos en la densidad de electrones. Estas regiones se denominan las regiones D, E y F. En vista del hecho de que la radiación del Sol se absorbe a medida que penetra en la atmósfera, diferentes formas de radiación dan lugar a la ionización en las diferentes regiones, como se describe en la siguiente tabla de resumen:

 

RESUMEN DE FORMAS DE RADIACIÓN QUE CAUSA LA IONIZACIÓN EN LAS CAPAS O REGIONES IONOSFÉRICAS.
REGIÓN FORMAS DE RADIACIÓN IONISANTE PRIMARIA
C Cósmico
D Lyman alpha, rayos X duros
E Rayos X suaves y algunos ultravioleta extremo
F1 Ultravioleta extrema, y algo ultravioleta
F2 Ultravioleta

 

La ionosfera es un área en continuo cambio. Obviamente se ve afectada por la radiación del Sol, y esto cambia como resultado aspectos, incluyendo la hora del día, el área geográfica del mundo y el estado del Sol. Como resultado, las comunicaciones por radio que utilizan la ionosfera cambian de un día a otro, e incluso de una hora a la siguiente. Predecir cómo serán posibles las comunicaciones por radio y las señales de radio pueden propagarse es de gran interés para una variedad de usuarios de comunicaciones por radio que van desde emisoras hasta radioaficionados y usuarios de sistemas de comunicaciones por radio bidireccionales hasta aquellos con sistemas de comunicaciones por radio móviles marítimas y muchos más.

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