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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA El papel de la ionosfera en las comunicaciones por radio a larga distancia. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / recepción de radio La transmisión de radio a largas distancias sólo es posible gracias a la existencia de capas reflectantes en la parte superior de la atmósfera terrestre. Estas capas se forman porque los rayos ultravioleta de la luz solar descomponen algunas de las moléculas de gas en partículas cargadas positivamente (iones) y electrones. Este proceso se llama ionización, y la región ionizada de la atmósfera se suele llamar ionosfera. Las ondas de radio, al penetrar en la ionosfera, se refractan y, con suficiente ionización, pueden regresar a la Tierra. En la figura 1 se muestran tres posibles casos de ondas de radio a la ionosfera, dependiendo del grado de ionización. En el caso "a", la ionización es débil y las ondas atraviesan la capa, curvando sólo ligeramente su trayectoria.
En el caso "b" la ionización es suficiente para que las ondas se reflejen y regresen a la tierra, y finalmente, en el caso "c" la ionización es tan fuerte que las ondas son completamente absorbidas.
En la Fig. La Figura 2 muestra la trayectoria de dos ondas de radio de 20 y 10 metros de longitud con un cierto grado de ionización. Las ondas de 20 metros de largo (líneas continuas) se reflejan en la ionosfera y regresan a la Tierra (las ondas de 10 metros de largo (líneas discontinuas) son ligeramente dobladas por la capa y van al espacio interplanetario. Todas las ondas de más de 20 metros también serán reflejada, y las ondas de menos de 10 metros penetrarán a través de la ionosfera. Cuanto menor sea la frecuencia transmitida, mayor será la probabilidad de reflexión y cuanto más fuerte sea la ionización en la capa, mayor será la frecuencia que aún se reflejará en ella. ZONA DE SILENCIO El ángulo con el que las ondas de radio inciden en la capa ionizada es fundamental. Una zona silenciosa se produce cuando no hay suficiente ionización para reflejar las ondas que inciden en ángulos pronunciados, pero las ondas que inciden en ángulos pequeños seguirán siendo reflejadas. Como se muestra en la Fig. 3, todas las ondas emitidas desde la antena en un ángulo mayor que algún ángulo crítico pasan a través de la capa, y las ondas emitidas en un ángulo menor regresan al suelo.
Antes de la zona de silencio, las señales sólo se escuchan en las inmediaciones del transmisor debido a la onda superficial. A menudo se observa que un rayo que incide sobre la Tierra en el punto A se refleja desde su superficie, vuelve a entrar en la capa, se refleja nuevamente y regresa a la Tierra en el punto B. Muy a menudo se reflejan dos, tres y múltiples reflejos de este tipo. ocurren cuando la transmisión a altas frecuencias, especialmente a largas distancias. En la Fig. 3 muestra que la señal también puede llegar al punto B después de una única reflexión. Si ambas señales que llegan al punto B tienen aproximadamente la misma intensidad, entonces puede producirse un desvanecimiento muy fuerte debido a interferencias. Por el ancho de la zona de silencio, se pueden juzgar aproximadamente las condiciones para el paso de ondas de diferentes rangos, escuchando solo en uno de ellos. Supongamos que las emisoras situadas a sólo 20 km de distancia se pueden escuchar en un radio de 200 metros. Esto indica que con tal ionización, es probable que las señales en longitudes de onda de 10 metros también regresen a la Tierra. Es cierto que en estas frecuencias la zona de silencio probablemente se extenderá hasta 2000 km. Si con olas de 20 metros hay una zona muerta muy estrecha, entonces con olas de 40 metros no hay zona de silencio. Cuando la zona de silencio se extiende a gran distancia, sólo escuchamos estaciones distantes. A medida que aumente la ionización, se estrechará y empezarán a aparecer estaciones cercanas. Al mismo tiempo, comenzaremos a perder estaciones lejanas por dos motivos. En primer lugar, estarán obstruidos por estaciones ruidosas cercanas y, en segundo lugar, la alta ionización provoca la absorción de señales de estaciones distantes que viajan a largas distancias en áreas ionizadas. Cuanto más amplia sea la zona muerta y mayor sea la frecuencia operativa, más probable será la comunicación a larga distancia. Dado que la ionización en las capas superiores de la atmósfera es causada por la radiación solar, las condiciones para el paso de ondas cortas durante el día y la noche serán marcadamente diferentes. Consideremos, por ejemplo, un cambio en las condiciones de comunicación durante un día normal de invierno. Temprano en la mañana, antes del amanecer, la ionización es muy débil. En este caso, el alcance de 10 metros estará completamente muerto, y en 20 metros sólo se podrán escuchar algunas emisoras muy lejanas. Sin embargo, para frecuencias más bajas la ionización será suficiente para un funcionamiento normal. Así, en olas de 40 metros habrá buenas condiciones para la comunicación a larga distancia, olas de 160 metros también pasan bien. A medida que sale el sol, la ionización comienza a aumentar rápidamente y alcanza su máximo por la tarde. A medida que se acerca el mediodía (la zona muerta se estrechará en todas las bandas y aproximadamente dos horas después del amanecer, la ionización es suficiente para reflejar ondas en el rango de 10 metros. Alrededor del mediodía, el rango de 20 metros se llenará con estaciones relativamente cercanas y largas -La comunicación a distancia es posible a 10 metros en este momento. Después de la puesta del sol, la ionización disminuirá a medida que comienza la reducción inversa de átomos y moléculas neutros. La zona de silencio se expandirá gradualmente para cada rango. Primero se detendrá la recepción de ondas de 10 metros y luego de 20 metros. TORMENTAS MAGNÉTICAS Algunos días se puede observar durante la recepción de radio que el número de estaciones de radioaficionado en el alcance se reduce drásticamente en comparación con los días normales, todas las señales se desvanecen mucho, muchas estaciones que se escuchan constantemente desaparecen y aparecen nuevas estaciones, principalmente distantes, que nunca se han recibido. antes de aparecer. Estos fenómenos son provocados por tormentas magnéticas, durante las cuales el campo magnético terrestre, normalmente bastante estable, sufre fuertes cambios. Las tormentas magnéticas siempre van acompañadas de una disminución de la ionización. Como resultado, la zona silenciosa se expande y las condiciones de propagación nocturna pueden continuar durante todo el día. Durante una tormenta magnética, las estaciones en bandas de alta frecuencia suelen desaparecer mucho antes que en días normales. A 20 metros hay buenas condiciones para las comunicaciones de larga distancia alrededor del mediodía, mientras que en días normales durante estas horas sólo es posible trabajar a distancias de hasta 2000 km. La tormenta magnética dura de uno a varios días. Las perturbaciones en la ionosfera que ocurren durante este tiempo causan un desvanecimiento significativo, acompañado de muchas distorsiones. La comunicación en distancias cortas suele verse interrumpida y para trabajar fue necesario cambiar a ondas más largas. CAPAS REFLECTANTES E IONIZACIÓN ANÓMALA La ionosfera suele estar formada por varias capas ionizadas. De ellas, las capas E y F desempeñan el papel más importante en la propagación de las ondas de radio. La altura de la capa E sobre la superficie de la Tierra es de unos 100 km y la de la capa F es de 220-240 km. Estas capas no se ven afectadas en absoluto por el clima cerca de la superficie de la Tierra. Durante el día, la capa F se divide en dos capas F1 y F2; el primero de ellos se encuentra ligeramente más bajo que el segundo. La capa F2 está más ionizada que las capas F1 y E y desempeña un papel más importante en la transmisión de ondas cortas. Las señales de frecuencia suficientemente alta que penetran a través de las capas E y F1 moderadamente ionizadas se reflejan en la capa F2, más fuertemente ionizada. , como se muestra en la Fig. 4 Para frecuencias más bajas, la capa E es importante y la mayoría de las comunicaciones en 160 metros se deben a la reflexión de esta capa.
En la capa E, a veces hay áreas de ionización muy intensa, que se denominan capa E anómala. La ionización anómala de la capa E puede ocurrir en cualquier momento y la causa se desconoce. En caso de ionización anómala, la capa E puede provocar que las ondas se reflejen a 5 y 10 metros. Otro fenómeno anómalo, llamado efecto Delinger, consiste en una interrupción total de las comunicaciones de onda corta en la parte iluminada del globo. La causa del efecto Delinger parecen ser las erupciones solares que provocan un aumento muy grande de la ionización en la parte inferior de la ionosfera. Como resultado, se absorben ondas de radio cortas. En este momento, a veces es posible la comunicación a larga distancia mediante ondas ultracortas. El efecto Dellinger puede durar varios minutos o incluso horas. CAMBIOS ESTACIONALES La ionización de la capa F2 alcanza su mayor valor en invierno, produciéndose el máximo diario por la tarde. Esto significa que la zona muerta más estrecha se producirá en la tarde de un día de invierno, momento en el que es posible una comunicación fiable a frecuencias muy altas, por ejemplo con olas de 10 metros. En verano, la ionización es menos significativa que en invierno y el máximo diario de la capa avanza hacia la puesta del sol. Así, para olas de 10 metros en verano, la zona de silencio será más amplia y la comunicación a través de estas olas puede resultar a menudo imposible. Gracias al aumento de la zona de silencio en verano con olas de 20 y 40 metros, se pueden esperar mejores condiciones para las comunicaciones a larga distancia, sin embargo, a distancias de muchos miles de kilómetros, el panorama se complica por la proporción de iluminación y oscuridad. lugares del globo. Cuando se transmite a través del ecuador, las condiciones de verano pueden prevalecer en un extremo del enlace y las condiciones de invierno en el otro. Las mejores condiciones para las comunicaciones a larga distancia se dan en primavera y principios de otoño. Durante los meses de primavera y verano se observan muchos más casos de reflexiones anómalas de la capa E. Estas reflexiones pueden proporcionar en unas pocas horas buenas condiciones para comunicaciones de larga distancia de 5 y 10 metros. La transición de las condiciones de invierno a las de verano, y viceversa, no se produce sin problemas. Los meses de primavera y otoño se caracterizan por un estado inestable de la ionosfera. Esto es especialmente notable para los aficionados que trabajan habitualmente en la banda de 10 metros. FRECUENCIAS CRÍTICAS La frecuencia crítica es la frecuencia más alta que todavía se refleja desde una capa determinada cuando la señal incide sobre la capa en ángulo recto. Si una señal se refleja cuando incide en ángulo recto, también se reflejará en todos los demás ángulos y, por lo tanto, no habrá zona de silencio en todas las frecuencias por debajo de la crítica. Las frecuencias críticas indican el grado de ionización de las capas y pueden usarse para predecir el "tiempo radioeléctrico", seleccionar las ondas más favorables para la comunicación, calcular la longitud de la zona de silencio, etc. Las mediciones de las frecuencias críticas se realizan en estaciones ionosféricas. Hay varias estaciones de este tipo en la Unión Soviética, una de ellas en la bahía de Tikhaya, en Tierra de Francisco José, es la estación ionosférica más septentrional del mundo. En los últimos 3 o 4 años ha habido muchas más comunicaciones de larga distancia en las bandas de 10 y 5 metros que antes. Esto se explica, por un lado, por un fuerte aumento en el número de radioaficionados que operan en estas bandas y, por otro, por el efecto del ciclo de 11 años de actividad de las manchas solares. La ionización atmosférica está estrechamente relacionada con el número de manchas solares; cuantas más manchas se observen durante el año, mayor será el grado de ionización. Las manchas solares han sido objeto de observación de los astrónomos durante mucho tiempo, y se llevan registros periódicos de su número desde 1750. Estos registros muestran que el número de manchas solares suele alcanzar un máximo cada 11 años. El último máximo se registró en 1939 y 1940. Ionización media El nivel de los últimos cinco años ha aumentado de año en año, por lo que se pudieron reflejar frecuencias cada vez más altas. Las condiciones para la comunicación en ondas de 10 y 5 metros en el invierno de 1940/41 ya eran algo peores que en 1939/40. Posteriormente, cada año el número de horas disponibles para las comunicaciones en estas ondas disminuirá y la actividad en estas bandas alcanzará un mínimo en 1944 o 1945. Para entonces, las condiciones de comunicación en la banda de 20 metros serán similares a los observados el año pasado en 10 metros, y el alcance de 40 metros volverá a ser adecuado para comunicaciones de larga distancia. COMUNICACIÓN LARGA EN VHF La frecuencia de las ondas ultracortas es demasiado alta para reflejarse en la capa F2. Si se observan tales reflexiones, ocurren durante períodos de ionización muy alta, como el máximo de manchas solares, y ocurren durante la transmisión a larga distancia cuando las señales ingresan a la capa en un ángulo muy obtuso. Numerosos acoplamientos de cinco bandas observados durante los meses de verano en los EE. UU. en los últimos años se atribuyen a una ionización anómala de la capa E. La mayoría de estas conexiones tuvieron lugar por la noche. Las mediciones ionosféricas muestran que en verano a menudo se forma una capa E anómala por la mañana, antes del amanecer y por la tarde, y su superficie a veces es de sólo unos pocos kilómetros cuadrados. Gracias a esto, la comunicación VHF sólo es posible entre un número muy limitado de puntos. Sin embargo, si hay muchos sitios de este tipo en diferentes áreas al mismo tiempo, las condiciones de comunicación VHF pueden ser bastante buenas. Autor: B. Khitrov
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