Universidad Privada Boliviana
Estudio de la ionosfera para telecomunicacione s ESTUDIANTE: MARVIN LAZARTE CAMACHO FECHA: 28/10/2014 MATERIA: TECNOLOGÍA DE SATELITES
Cochabamba - Bolivia
LAS CAPAS DE LA ATMÓSFERA La atmósfera es la mayor de las partes naturales en que se divide la biósfera. Es mucho más grande que la hidrósfera o la litósfera: es posible hallar gases terrestres hasta casi mil kilómetros sobre la superficie de la Tierra. Nosotros nos encontramos en la capa más baja llamada Tropósfera.
LA TROPÓSFERA, se extiende desde el suelo hasta los 12 kilómetros de altura en promedio. Sólo en ella se producen las variaciones climáticas y la vida. Contiene además cerca del 80% de la masa total de la atmósfera. Sin equipos especiales, el hombre sólo puede sobrevivir en los primeros 6,000 metros de altura. El aire en la Tropósfera está en continuo movimiento, lo que se conoce como viento. Este océano de aire es la defensa que tiene la Tierra contra muchos peligros como la radiación y los meteoritos.
LA ESTRATÓSFERA está más arriba y se extiende hasta unos 50 kilómetros de altura. En esta capa el aire está casi siempre en perfecta calma. A los 30 kilómetros de altura su temperatura alcanza los 56 grados bajo cero, más arriba la Estratósfera se vuelve más caliente. Esta capa es muy importante porque en ella se encuentra la capa de ozono que nos protege de los rayos ultravioleta que en grandes cantidades son nocivos para la vida.
LA IONÓSFERA se encuentra por encima de los 80 kilómetros de altura, aquí los gases son muy escasos y contiene capas conductoras de electricidad que funcionan como espejos pues son capaces de reflejar las ondas de radio y permitir la transmisión de comunicaciones a grandes distancias.
Es aquí donde los meteoritos comienzan a arder y ser desintegrados antes de alcanzar la Tierra.
¿CÓMO SE PROPAGAN LAS ONDAS DE RADIO? El principal descubrimiento de Hertz fue que las ondas radioeléctricas pueden “viajar” sin
necesidad de cables de un lugar a otro. Estudios posteriores confirmaron que, dependiendo de la frecuencia o longitud de onda, éstas viajan de diferentes maneras. Las de baja frecuencia, por ejemplo, no siguen el mismo curso que las que tiene altas o muy altas frecuencias. Podemos dividir a las viajeras en tres ti pos o formas de propagación.
1. ONDAS TERRESTRES O DE SUPERFICIE Son ondas que en parte se desplazan pegadas a la corteza terrestre, a la superficie de la tierra. Al ir tan cerca del suelo, las características de éste influyen bastante en su forma de propagación. Viajan incómodas sobre suelos secos, como el desierto, y recorren mayores distancias si el terreno es húmedo, porque les ofrece mejor conductividad. Si ha tocado un cable eléctrico con los pies mojados habrás experimentado que la humedad trasmite más fácilmente la electricidad. Las ondas que se propagan de esta forma no se despegan de la tierra. Por un lado es una ventaja, ya que no le afectan mucho los obstáculos. Por ejemplo, no chocan contra una montaña, sino que la suben y la vuelven a bajar. Pero a la vez es un inconveniente, porque este roce las va atenuando o “desgastando”.
Para éste y los siguientes esquemas, la antena de la izquierda es la emisora y la derecha la receptora.
2. ONDAS REFLEJADAS O IONOSFÉRICAS Hay otras ondas que quisieran escapar del planeta y salirse de la atmósfera. Pero se encuentran con un escudo, una capa de esa misma atmósfera llamada ionosfera que, por sus características, actúa como un espejo y las rebota, devolviéndolas a la tierra. Pero las ondas, bien tercas, lo intentan de nuevo y vuelven a subir y la ionosfera las vuelve a rebotar. De esta forma se propagan las ondas ionosféricas que están en el rango de 3 a 30 Mhz. Son las ondas cortas y su principal uso es para las emisoras internacionales de largo alcance y radioaficionados. La ionosfera está situada entre 60 y 400 km de la corteza terrestre. Dependiendo de la hora del día y las condiciones de la atmósfera, sus características cambian drásticamente. Esto hace que las radiocomunicaciones de esta clase varíen mucho en función de la estación del año o del momento del día. El invierno y las horas nocturnas son más beneficiosas cuando, por la falta de rayos solares, la capa se vuelve más densa y se aleja de la tierra permitiendo a las ondas llegar más lejos. Este es el motivo por el que las radios internacionales de Onda Corta se escuchan más y mejor por la noche que por el día. La mayoría de las ondas no eligen un sólo camino para propagarse, sino una combinación de ambos. Van pegadas a la tierra (onda superficie) y, a la vez, rebotando en la atmósfera (onda reflejada). Con esta combinación se logran alcanzar distancias planetarias.
MARCONI Y LA IONOSFERA Marconi, en sus primeros experimentos cuando logró cruzar el océano con señales de radio, sospechó que existía una capa en la atmósfera que rebotaba las ondas. En distancias tan largas, éstas no podrían viajar en línea recta dada la curvatura de la tierra. Por tanto, debía existir “algo” que ayudara a reflejar las ondas. Esos dos “espejos” eran la
ionosfera y el agua del océano.
3. ONDAS DIRECTAS O ESPACIALES Así se desplazan las ondas de alta frecuencia que tienen longitudes de onda muy pequeñas. Realizan su viaje en línea recta, “h asta donde alcanza la vista”. Su mayor
inconveniente es que si algo estorba la visión, de seguro también interrumpe la onda. Son muy vulnerables a los obstáculos. Incluso la misma curvatura de la tierra hace que se pierda la señal. En este rango están las ondas empleadas para transmitir en FM, TV o banda ciudadana. Por esta limitación, las antenas transmisoras siempre se colocan en lugares elevados para no perder la “línea de vista” con sus receptores.
Pero si aumentamos la frecuencia y la potencia y diri gimos las antenas hacia lugares donde nada estorba, como el espacio, alcanzamos distancias sorprendentes. Estas ondas no se reflejan en la ionosfera, sino que la traspasan, viajando miles de kilómetros. Son las encargadas de mandar señales a los satélites para transmisiones de largo alcance que luego regresan “rebotadas” a otro lugar de la tierra. Algunos de estos satélites se
encuentran a 36.000 kilómetros de la tierra.
COMPOSICIÓN DE LA IONOSFERA En la ionosfera, los gases atmosféricos son tan tenues que es posible encontrar electrones libres e iones positivos. La ionosfera posee por lo tanto propiedades de un gas tenue y de un plasma. La masa total de la ionosfera es inferior a un 0,1 % de la masa de la atmósfera. Las cargas se separan por la acción de las radiaciones de alta energía provenientes del Sol. En las capas tenues de la ionosfera los tiempos de recombinación de los iones son superiores al periodo día noche por lo que la ionosfera retiene gran parte de sus propiedades incluso en las regiones no iluminadas del planeta. Dependiendo del grado de ionización de cada nivel de altura pueden encontrarse picos de ionización en capas denominadas "D," "E," "F1," y "F2". Dado que el grado de ionización es producido directamente por la acción solar una actividad anómala del Sol puede alterar las propiedades de la ionosfera y su capacidad de reflejar las ondas de radio terrestre alterando las comunicaciones en la Tierra. Así tenemos las siguientes capas:
60 km: capa D. Sólo aparece durante el día y es sumamente absorbente para frecuencias por debajo de unos 10 MHz, protegiendo la superficie terrestre de gran parte de la radiación espacial.
80-110 km: capa E o capa de Kennelly-Heaviside (o capa de Heaviside).
180-600 km: capas F o capas de Appleton. Las capas F se elevan por la noche por lo que cambian sus propiedades de reflexión.
180-300 km: capa F1. Esta capa sufre una fluctuación diaria mayor que la F2, por lo que llega a mezclarse con ésta.
300-600 km: capa F2. Es la capa más alta de la ionosfera.
IONOGRAMA, mostrando la altura a la que se reflejan ondas según las distintas frecuencias. Los saltos en esta función permiten definir una serie de capas, con características diferentes
¿CÓMO FUNCIONA? La transmisión de ondas electromagnéticas de alta frecuencia utilizando su reflexión en las capas de la Ionosfera, iniciada por Marconi en 1901, fue relegada a partir de los 60 cuando se desarrolló el uso de satélites. Sin embargo, ha cobrado un nuevo interés al comprobarse que las comunicaciones basadas en satélites son muy vulnerables en caso de co nfli cto bél ico y pu eden verse seriamente afectadas por las tormentas magnéticas.
Transmisión de ondas electromagnéticas mediante rebotes en las capas E y F de la ionosfera.
El empleo de ondas HF requiere como dato básico conocer las características de la ionosfera que permitan decidir cuál es la frecuencia de transmisión más recomendable y bajo qué condiciones va a realizarse. Este proceso constituye la caracterización del canal ionosférico y es realizado utilizando técnicas de trazado de rayos con perfiles ionosféricos experimentales que evalúan la densidad de electrones en función de la
altura. La técnica se ha desarrollado conjuntamente con la Estación de Sondeos Atmosféricos que el Instituto Nacional de Técnica Aerospacial (INTA) tiene en El Arenosillo (Huelva) y a partir de los datos ionosféricos (ionogramas) obtenidos en ella y en el Observatorio del Ebro (CSIC).
Los estudios realizados permiten extender la metodología incluso a enlaces en los que no existe la posibilidad de utilizar perfiles experimentales de densidad electrónica. Además la técnica ha sido analizada para diferentes condiciones de hora local, época del año, y actividad solar. Los datos que caracterizan el canal (frecuencia óptima de transmisión, ángulo de elevación, tiempo de retardo y altura máxima de reflexión) constituyen la información básica que debe ser introducida en el equipo transmisor de la señal HF. Por ello, la caracterización del canal es la primera parte de una técnica más amplia que se continúa con el diseño y construcción de un equipo digital capaz de transmitir utilizando técnicas de espectro ensanchado. Esta fase está siendo realizada por el Departamento de Electrónica, Informática y Automática de la Universidad de Huelva y la Escuela de Ingeniería Salle de la
La
Universidad Ramón Llull de Barcelona.
Esquema de la transmisión de señales electromagnéticas vía satélite y mediante rebote ionosférico.
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http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lem/campos_v_da/capitulo1.pdf http://www.upv.es/satelite/trabajos/pracGrupo7/regiono.htm
