1. Una mica d’Història sobre la ionosfera.

El 12 de desembre de 1901, Marconi va aconseguir realitzar de formasatisfactoria la primera comunicació radiotelegràfica transatlàntica cubriendouna distància de 3.000 km entre Gal·les i Terranova, a l’extrem oriental de Canada.Unos anys abans, Herz habíacomprobado experimentalment l’existència d’ones electromagnètiques, cuyanaturaleza era similar a la de la llum. Per aquest motiu l’èxit de Marconiresultaba inexplicable considerant que les ones electromagnètics debenpropagarse en trajectes rectilinis i que l’esfericitat de la terra impedíala visibilitat directa. De fet l’èxit inicial va ser rebut amb ciertoescepticismo per la comunitat científica, que en part dubtava de la seva veracidad.En l’any 1902 altres experiments realitzats per Marconi van posar en relleu que les comunicacions a grandesdistancias patien grans variacions si es realitzaven durant el dia o lanoche . Així, experiments de recepció a bord d’un vaixell des d’una estaciónbase en terra van mostrar que a distàncies superiors a 1.000 km lascomunicaciones fallaven totalment durant el dia, mentre que durant lanoche era possible la recepció a distàncies superiors als 3.000 km. Marconi estava més interessat en lasposibilidades de l’explotació comercial de les comunicacionesradiotelegráficas a llarga distància que en l’explicació dels fenómenosresponsables d’aquestes, per la qual cosa es va centrar la seva activitat en la aplicaciónpráctica d’aquests fets més que en la justificació teòrica dels mateixos.

En el mateix any 1902, Kennelly i Heaviside, de forma independent, van postular l’existència d’unacapa ionitzada a la part alta de l’atmosfera com a responsable de la reflexiónde les ones electromagnètiques, explicant, d’aquesta manera, el mecanisme depropagación a gr4andes distàncies.

elprimer experiment per realitzar mesuraments exactes de la ionosfera el llevarona terme Appleton i Barnett a Londres el 1925. Consistia enemitir un senyal d’ona contínua i desfasament variable amb el temps. En un receptor proper es rebia la interferenciade l’ona directa i reflectida. A partir de la formació de interferenciasconstructivas i destructives els va ser possible determinar l’altura de la capaionizada. A aquesta capa li van cridar capaeléctrica, o abreujadament capa E.Estudios posteriors van revelar l’existència de capes inferiors i superiors ala capa I, a les que mantenint elorden alfabètic les hi va denominar D i F respectivament.

Investigacionesmás profundes van demostrar que la ionosferano és un mitjà estratificat, sinó que presenta variacions contínues ambla densitat d’electrons ionitzats en funció de l’altura. Per razoneshistóricas es manté la nomenclatura de les capes D, E i F designandoa cadascuna d’elles regions de la ionosfera d’altitud creixent. Sota ciertascondiciones la capa F es desdobla endos capes, la capa F1 i lacapa F2.

Lacausa primordial d’ionització de la ionosfera és la radiació solar en laregión de l’espectre dels raigs xi ultraviolats. També contribueixen a laionización la incidència de les partícules carregades (protons i electrons) deorigen solar i els raigs còsmics galàctics. La creació d’ions depèn dela energia de les radiacions i de la densitat de molècules. Per a alçades elevadasla energia de la radiació incident eselevada però la densitat de molècules baixa, mentre que per a altures més baixes la densitat de molècules esalta però l’energia de les radiacions ha estat absorbida en gran part, demodo que la densitat de ionització màxima es produeix en un punt intermedi. En la figura 1.1 es representa la variació de la densitat de molècules ionizablesen funció de l’altura.

Figura 1.1 Densitat de molècules ionizablevs. alçada.

En la figura 1.2 es pot relaciona l’energia provinent de la radiació solar iels cossos celestes en funció de l’altura sobre la superfície terrestre.

Figura 1.2 Energia d’ionització vs. alçada.

A la figura 1.3 es pot s’observa lavariación de la densitat de ionització de la Ionosfera en funció de la altura.Como es pot veure, hi ha una densitat màxima de ionització que s’aconsegueix auna alçada mitjana. El valor d’aquesta ionització màxima varia amb l’estació, amb el nombre de taques solars i amb l’hora del dia.

Figura 1.3 Energia deionización vs. alçada.

Ja que la causaprincipal d’ionització és l’activitat solar, el comportament de laionosfera està molt influït pels cicles solars observats des de la tierra.Los períodes d’aquests cicles són:

· Diürn.

· Anual.

· d’11 anys.

A la figura 1.4 es representa lavariación de la densitat de ionització típica a la ionosfera en funció de laaltura.

· Capa d

La capa D, segona en ser modelada, s’estén entre els 50 i 90 kmde alçada. La seva densitat de ionització augmenta ràpidament amb l’altura ypresenta grans variacions entre el dia i la nit. De fet, per la nocheprácticamente desapareix, pel que habitualment es considera que la capa D és una capa diürna.

· Capa I

La capa I o capaKennelly-Heaviside, primera a ser descrita, comprèn una zona intermediaque abasta des de 90 a 130 Km d’altura. El seu comportament està molt lligat a losciclos solars. Tot i patir grans variacions de ionització conserva unnivel apreciable durant la nit. Aconsegueix el màxim de ionització durant elmediodía en els mesos d’estiu amb nivells al voltant de 1011 e-/ m3. En certes ocasions apareix unaionización anòmala en la capa Edenominada capa I esporàdica, (ES) .En zones temperades la capa ES és bastant freqüent a l’estiu, aconseguint densitats iòniques diverses vegades superiors a les de la capa I circumdant.

· Capa F

La capa F seextiende cap amunt a partir dels 130 km d’altitud. A causa de l’distintocomportamiento de la capa superior i inferior, aquesta es pot dividir en la capa F1 entre els 130 i 210km i la capa F2 a partirde els 210 km. La capa F1 desaparecedurante la nit mentre que la capa F2mantiene nivells d’ionització relativament constants entre el dia i lanoche.

a la figura 1.4se representa gràficament l’altura de les capes en funció les hores de l’Diay de l’estació.

Figura 1.4 Alçada de les capes vs. hora i estació.

La variació dela altura de les capes segons la temperatura i en conclusió la hora solar semuestra a la figura 1.5

Figura 1.5 Alçada de les capes vs. hora i estació.

La propagaciónde ones electromagnètiques a la ionosfera es pot modelar a partir de lapropagación de sorprens. Un plasma és una regió de l’espai, amb la permitividadey la permeabilitat magnètica m de l’buit, que conté electrons lliures. Un modelosimplificado és el de l’plasma fred, en què es menysprea el moviment de loselectrones per causes tèrmiques. Una anàlisi més d’acord amb la realitat esconsiderar la presència d’un camp magnètic estàtic, de la mateixa manera queen la ionosfera ha el camp magnètic terrestre.

Considereu enprimer lloc les forces a què es troba sotmès un electró immers enle camp electromagnètic d’una ona plana. Aquest experimentarà una fuerzadebida a el camp elèctric i una altra a el camp magnètic. A continuació es va arealizar una breu anàlisi de les forces posades en joc.

On:

1. e-= 1.59 10-19 C.

2. c = 3 108 m / s.

3. v és la velocitat dels electronesen moviment.

És important ressaltar que la força experimentada per l’electró debidaal camp magnètic de l’ona plana esdespreciable enfront de la força produïda pel camp elèctric.

l’equació de moviment d’un electró en un plasma fred, en el qual sepropaga una ona plana i hi ha un camp magnètic estàtic està donada per (1.2)

On s’ha considerat tambiénun terme de pèrdues per col·lisió entre electrons sent n la velocitat de col·lisions. La presència Delcampo magnètic estàtic dificulta també l’anàlisi, de manera que es va aomitir en els desenvolupaments matemàtics, tot i que això no vol dir que el efectodel camp magnètic terrestre sobre la propagació ionosfèrica seadespreciable. Suposant variacions sinusoïdals de la forma , de l’anterior expressió es dedueix (1.3).

Si hi ha una densitat de N secreará una densitat de corrent de valor (1.4)

associada a el moviment deelectrones en la direcció associada a , ia partir de les equacions de Maxwell (1.5)

espot arribar a (1.6)

És posibledefinir elèctrica relativa i la conductivitat de l’plasma en (1.7)

en absència de col·lisions entre els ions (n = 0) les expressions anteriors es poden simplificarcomo (1.8).

on s’ha introduït la freqüència de ressonància de l’plasma fp, també anomenada frecuenciacrítica.

A l’substituir-les constants pel seu valor s’obté la relació (1.9)

Les unitats resultants formen part de l’si nes s’utilitza en .

Una ona planapropagándose a través de la ionosfera té una constant de fase de . En el cas en què la freqüència sigui menor a la frecuenciacrítica fp, la constantede fase serà imaginària i per tant l’amplitud de l’ona s’anirà atenuandoexponencialmente al llarg de la ionosfera, per contra si la frecuenciade el senyal és superior a la frecuenciacrítica la constant de fase serà real i per tant l’amplitud nosufrirá atenuació, (suposant n = 0).

Si es considera la existenciade col·lisions en la ionosfera, la constant dielèctrica i * té una part imaginariano nul, de manera que el medi presentarà atenuació. En aquest cas, la constantede propagació en el medi g, es pot escriure com (1.10)

Si s’assumeix a l’hipòtesi deque la ionosfera es comporta com un bon dielèctric (1.11) es pot obteneruna estimació de l’atenuació introduïda per la propagació

ionosfèrica (1.12). Si a més, se suposa que l’índex de refracció n de l’mig ionosfèric a

elque incideix una ona plana és pròxim a la unitat i que la freqüència de la ondaes molt menor que la freqüència de les col·lisions , es pot aproximar l’expressió de l’atenuació a (1.13)

exemple 1: En una regió de la ionosfera a 75 km d’altura (capa d) es coneix la freqüència de col·lisió ió ica n = 2 · 106 s-1.La densitat de ionització màxima en aquesta capa per a alçades de 80 i 90 km és de N = 109 , valor que s’aconsegueix durant el migdia . Per esadensidad d’ionització, la freqüència crítica és de . Si s’utilitza en un radioenllaç un senyal portadora d’1MHz, l’atenuació produïda en el trajecte ionosfèric és de mentre que si la portadora és transmesa a 10 MHz laatenuación soferta per l’ona seria . A la figura 1.6 es presenta la variació de la atenuaciónvs. la freqüència de l’ona incident. La capaD produeix durant el dia una fuerteatenuación a senyals que intentin propagar-se a través de la ionosfera, confrecuencias compreses a la banda de MF, tot i tractar-se d’frecuenciassuperiores a la freqüència de ressonància.

Durant la nit, els ionesprácticamente desapareixen en la capa D, n “0, de manera que laatenuación és menyspreable . a la resta de les capes la freqüència de col·lisió és muchomenor, a causa de que l’atmosfera és més tènue, de manera que l’atenuació esprácticamente menyspreable.