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Ejercicio ionosfera Jorge Gonzalez Castro

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Jorge González Castro
Ejercicio: Describir ionosfera, capas
geoposicionamiento, etc.
Entorno Espacial (EnEs)
y frecuencias, aplicaciones: comunicaciones,
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 (rayosX 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 F1 y está más arriba, y otra conocida como F2
que está altamente ionizada. Durante la noche ambas se fusionan al nivel de la capa F2.
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
comunicaciones terrestres.
ionosfera
en
las
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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frecuencia inferior a 10 MHz. La capa F refleja ondas hasta una frecuencia máxima de 30
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, LD,
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 ≤ LD (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 > LD (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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