Jorge González Castro Entorno Espacial (EnEs)
Ejercicio: Describir ionosfera, capas y frecuencias, aplicaciones: comunicaciones, geoposicionamiento, etc.
La ionosfera es una carcasa esférica de plasma ionizado compuesto por iones y electrones producidos por la radiación de alta energía provenientes de la radiación solar (rayos-
X y radiación ultravioleta extrema (EUV)). Esta capa se encuentra embebida en la termosfera, mesosfera y exosfera (60 km < h < 2000 km). Puesto que las características de la ionosfera dependen de su composición, van a estar estrechamente relacionadas con la actividad solar y con la latitud del lugar de observación. En cuanto a la actividad solar, se pueden clasificar sus variaciones en:
•
Actividad estacionaria : hace referencia a un flujo continuo de plasma magnetizado desde el Sol denominado viento solar. El movimiento del plasma en el Sol y del viento solar producen un fuerte campo magnético complejo y de gran intensidad.
•
Actividad periódica : se debe principalmente a las zonas activas cerca de las manchas solares que emiten rayos-X y EUV, por lo que está directamente relacionada con el ciclo de formación de manchas solares en el Sol de 11 años (ciclo solar). Los ciclos en los que se forman una mayor cantidad de manchas solares llevarán asociada una mayor intensidad de la radiación solar.
•
Actividad transitoria : se debe principalmente a las llamaradas y eyecciones de masa coronaria (CME) que ocurren en la atmósfera solar. Las llamaradas son grandes explosiones en las proximidades de las manchas solares que emiten gran cantidad de energía intensa en altas frecuencias, rayos-X y EUV. Las CME consisten en una expulsión de gran cantidad de masa que viajan a velocidades supersónicas. Debido a esto, el plasma ocasiona ondas de choque en el viento solar que aceleran partículas solares que llegan a la Tierra en unas horas. El impacto de esta masa con la Tierra puede afectar gravemente al campo geomagnético terrestre y la ionosfera produciendo tormentas magnéticas.
Figura 1: Capas de la atmósfera terrestre. Localización de la ionosfera.
La ionosfera se divide en tres capas:
1.
Región D : es la capa más interna de la ionosfera, alcanzando altitudes de entre 70 y
90 km, y es donde se absorben los rayos-X duros. Esta región varía mucho entre el día y la noche, generándose durante el día y desapareciendo prácticamente durante la noche.
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La razón de esto es que, durante la noche, los electrones libres de esta capa se combinan con iones de oxígeno para formar moléculas de oxígeno eléctricamente neutras.
2.
Región E : es la capa intermedia que se extiende entre los 90 y 160 km de altitud y aquí se absorben los rayos-X blandos. La principal diferencia que presenta esta región con la región D es que durante la noche sí que mantiene la ionización aunque se reduce considerablemente.
3.
Región F : es la capa superior (altitudes superiores a 160 km) se encarga de la absorción de los rayos EUV. La concentración de electrones libres en esta capa es superior a la de las previas debido a su mayor proximidad al Sol, recibiendo más cantidad de radiación.
Aquí el grado de ionización no presenta muchos cambios durante la noche ya que se produce un cambio en la distribución de los iones. Cabe mencionar que durante la noche se presenta una única región F, pero durante el día esta capa se desdobla en dos: una capa más pequeña que se conoce como F
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y está más arriba, y otra conocida como F
2 que está altamente ionizada. Durante la noche ambas se fusionan al nivel de la capa F
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.
Figura 2: Distribución de las regiones de la ionosfera durante el día
(izquierda) y durante la noche (derecha)
Figura 3: Densidad electrónica en función de la altura para el día y la noche para periodos de máxima actividad solar (izquierda) y periodos de mínima actividad solar (derecha)
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El hecho de la presencia en la atmósfera de la ionosfera, una capa cargada eléctricamente, va acompañado de una serie de usos y aplicaciones:
•
Comunicaciones : permite propagar las ondas electromagnéticas hasta diferentes lugares del planeta y permite enviar señales entre los satélites y las estaciones de tierra.
•
Protección frente a radiación : es uno de los factores más importantes por los que la ionosfera es fundamental para el desarrollo de la vida humana, ya que nos protege de las radiaciones del espacio exterior. Además, regula la temperatura de la Tierra al absorber parte de la radiación EUV y los rayos-X que emite el Sol.
•
Protección frente a meteoritos : las temperaturas en esta capa son extremadamente altas, lo que ocasiona que los meteoritos que inciden sobre la Tierra sean desintegrados.
•
Posicionamiento : Puede producir retardos en el proceso de funcionamiento del Sistema de Posicionamiento Global (GPS), por ejemplo. Para corregir estos retardos será de interés conocer el grado de ionización de la ionosfera.
En cuanto a los vehículos espaciales, hay dos efectos producidos por la ionosfera que afectan a los mismos:
1.
Reflexión de las ondas electromagnéticas : Los efectos que pueden producirse sobre una onda electromagnética cuando viaja a través del plasma van a depender de la relación entre la frecuencia de la radiación y la frecuencia del plasma. Si la frecuencia de la radiación es igual a la del plasma la onda se refleja, si es menor se absorbe y si es mayor sufre retrasos y cambios de fase aleatorios. Si es mucho mayor se producen retrasos temporales erráticos no corregibles que afectan principalmente a los sistemas de navegación del vehículo.
Para las comunicaciones terrestres la reflexión de las ondas electromagnéticas en la ionosfera es una propiedad positiva ya que la reflexión de ondas hace que estas se puedan propagar mayores distancias tal como se muestra en la Figura 4.
Figura 4: Utilidad de la ionosfera en las comunicaciones terrestres.
Todas las capas de la ionosfera a excepción de la D reflejan las ondas de radio. Durante el día, la capa D atenúa significativamente las ondas de radio de frecuencia media (MF) y baja frecuencia (HF) ya que estas hacen que los electrones se muevan y que luego choquen con las moléculas neutrales dejando su energía. Las frecuencias más bajas experimentan una mayor absorción porque mueven los electrones más lejos, lo que conlleva una mayor probabilidad de que se produzcan colisiones. La máxima absorción se produce para frecuencias de 10 MHz o inferiores, con una absorción progresivamente menor a frecuencias más altas. La capa E solo refleja ondas de radio que tengan una
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MHz, valor por encima del cual las ondas escapan al espacio. Por la noche, la reflexión de las ondas se produce hasta frecuencias de aproximadamente 10 MHz.
Figura 5: Reflexión y absorción de ondas electromagnéticas en función de la frecuencia.
Para las comunicaciones con vehículos espaciales es importante que la frecuencia sea suficientemente alta para que atraviese la ionosfera y llegue al vehículo, por lo que será necesario emplear frecuencias altas (> 30 MHz).
2.
Influencia en la carga electrostática : En primer lugar, se define la longitud de Debye, L
D
, como la distancia en la que se producen diferencias de potencial y de carga apreciables en el plasma, que generan corrientes a través de caminos conductivos. Esta longitud es del orden de 0.1-10 cm en la ionosfera y de 0.1-10 km es la magnetosfera. Si se denomina D a la longitud característica del vehículo, se analizan dos casos:
•
D ≤ L
D
(h del orden de GEO) : se produce acumulación neta de carga en el satélite que no es capaz de descargar a través del plasma a la velocidad que se produce su carga. Las corrientes generadas a través de los materiales conductores pueden dañar componentes o producir señales espurias. La solución que se emplea es recubrir de material conductor todas las superficies en contacto con el plasma, lo que distribuye toda la carga sobre la superficie.
•
D > L
D
(h < 600 km) : el problema de la acumulación de carga estática en las superficies expuestas se mitiga, ya que el plasma proporciona un camino conductivo entre las distintas zonas del satélite. La alta densidad de corriente en el plasma hace que no suela haber grandes diferencias de potencial en el vehículo por acumulación de carga externa. El problema en este caso es la formación de arcos entre el vehículo y el plasma circundante. La diferencia de potencial entre el plasma de la ionosfera y los potenciales internos del satélite pueden producir descargas electrostáticas. La solución pasa por aislar muy bien los elementos del satélite que tienen distintos potenciales y que están expuestos al plasma.
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