Guía de onda Tierra-ionosfera, Función de transferencia, Teoría Ray, Teoría de modo Wave, Características de guía de ondas

La guía de ondas de la Tierra-ionosfera se refiere al fenómeno en el que ciertas ondas de radio pueden propagarse en el espacio entre el suelo y el límite de la ionosfera. Debido a que la ionosfera contiene partículas cargadas, puede comportarse como un conductor. La tierra funciona como un plano de tierra, y la cavidad resultante se comporta como una gran guía de ondas.

Señales de frecuencia extremadamente baja y muy baja frecuencia pueden propagar de manera eficiente en esta guía de onda. Por ejemplo, la caída de rayos lanzar una señal de llamada de radio atmosféricos, que pueden viajar miles de kilómetros, ya que se limitan entre la Tierra y la ionosfera. La ronda de la naturaleza mundial de la guía de ondas produce resonancias, como una cavidad, que son a ~ 7 Hz.

Propagación radial dentro de la ionosfera depende de la frecuencia, el ángulo de incidencia, la hora del día, la estación, el campo magnético de la Tierra, y la actividad solar. En incidencia vertical, ondas con frecuencias mayores que la frecuencia de plasma de electrones de la capa de máximo F-

 fe = 9 1/2 kHz

 puede propagarse a través de la ionosfera casi inalteradas. Las ondas con frecuencias menores a fe se reflejan en los D-, E, y F-capas de la ionosfera. Fe es del orden de 8-15 MHz durante las condiciones de tiempo de día. Para la incidencia oblicua, la frecuencia crítica se hace más grande.

Frecuencias muy bajas, y las frecuencias extremadamente bajas se reflejan en el D y E menor de capa ionosférica. Una excepción es whistler propagación de señales eléctricas a lo largo de las líneas del campo geomagnético.

Las longitudes de onda de las ondas de VLF ya son comparables con la altura de la D-capa de la ionosfera. Por lo tanto, la teoría del rayo es aplicable sólo para la propagación en distancias cortas, mientras que la teoría de modo debe utilizarse para distancias grandes. La región entre la superficie de la Tierra y el D-capa de la ionosfera se comporta tanto como una guía de ondas de VLF y ELF-ondas.

En la presencia del plasma de la ionosfera y el campo geomagnético, existen ondas electromagnéticas de frecuencias que son mayores que la frecuencia de giro de los iones. Las ondas con frecuencias inferiores a la frecuencia de giro se llaman ondas hidromagnéticas. Las pulsaciones geomagnéticas con períodos de segundos a minutos, así como ondas de Alfvén pertenecen a ese tipo de ondas.

Función de transferencia

El prototipo de una antena de varilla vertical corta es un Hertz eléctrica dipolo vertical en la que las corrientes alternas eléctricas de flujo de frecuencia f. Su radiación de las ondas electromagnéticas dentro de la guía de ondas de la Tierra-ionosfera puede ser descrita por una función de transferencia T:

 Ez = T Eo

donde Ez es la componente vertical del campo eléctrico en el receptor en una distancia? desde el transmisor, Eo es el campo eléctrico de un dipolo hertziano en el espacio libre, y? = 2pf la frecuencia angular. En el espacio libre, es T = 1 - Evidentemente, la guía de onda Tierra-ionosfera es dispersivo, porque la función de transferencia depende de la frecuencia. Esto significa que la velocidad de fase y grupo de las ondas son dependiente de la frecuencia.

Teoría Ray

En el rango de VLF, la función de transferencia es la suma de una onda de superficie que llega directamente a las ondas de cielo receptor y saltos múltiples reflejadas en el D-capa de la ionosfera.

En la superficie de la Tierra real, la onda de superficie se vuelve disipa y depende de la orografía lo largo de la trayectoria del rayo. Para las ondas de VLF a distancias más cortas, este efecto es, sin embargo, de menor importancia, y el factor de reflexión de la Tierra es Re = 1, en una primera aproximación.

En distancias cortas, sólo la primera ola cielo hop es de importancia. El D-capa puede ser simulado por una pared magnética con un límite fijo a una altura h virtual, lo que significa un salto de fase de 180 en el punto de reflexión. En realidad, la densidad de electrones de los aumentos de D-capa con la altitud, y la onda está limitada como se muestra en la Figura 2.

La suma de la onda de superficie y la primera ola hop muestra un patrón de interferencia con interferencias mínimas si la diferencia entre las trayectorias de los rayos de la planta y la primera onda cielo es la mitad de una longitud de onda. La última interferencia mínima en el suelo entre la onda de superficie y la primera ola cielo está a una distancia horizontal de

 ? 1 2 h2 f/c

con c la velocidad de la luz. En el ejemplo de la figura 3, esta es de aproximadamente 500 km de distancia.

Teoría de modo Wave

La teoría de la forma de propagación de las ondas VLF se descompone a distancias más grandes ya que en la suma de estas ondas están involucrados sucesivas olas cielo múltiples saltos y los suma diverge. Además, se hace necesario tener en cuenta la Tierra esférica. Modo de la teoría que es la suma de eigen-modos en la guía de ondas Tierra-ionosfera es válida en este rango de distancias. Los modos de onda con estructuras fijas y verticales de los componentes de campo eléctrico vertical con amplitudes máximas en la parte inferior y cero amplitudes en la parte superior de la guía de ondas. En el caso de la primera modo fundamental, que es un cuarto de longitud de onda. Con la disminución de la frecuencia, el valor propio se convierte en imaginario en la frecuencia de corte, donde el modo cambia a una onda evanescente. Para el primer modo, esto sucede en

 fco = c/1 kHz

por debajo del cual el modo que no se propagará.

La atenuación de los modos aumenta con número de onda n. Por lo tanto, esencialmente sólo los dos primeros modos están involucrados en la propagación de la onda La primera mínimo la interferencia entre estos dos modos es a la misma distancia que la de la última interferencia mínima de teoría de los rayos que indica la equivalencia de las dos teorías Como se ve en la Figura 3, la espaciado entre el modo de interferencia mínimos es constante y unos 1000 km en este ejemplo. El primer modo se vuelve dominante a distancias mayores de aproximadamente 1500 km, debido a que el segundo modo es más fuertemente atenuada que el primer modo.

En la gama de ondas ELF, única teoría modo es apropiado. El modo fundamental es el modo de orden cero. El D-capa se convierte aquí en una pared eléctrica. Su estructura vertical es simplemente una constante con la altitud campo eléctrico vertical.

En particular, existe un modo de orden cero de resonancia para las ondas que son una parte integral de la circunferencia de la Tierra y tiene la frecuencia

 fm = mc /

con un radio de la Tierra. Los primeros picos de resonancia son en 7,5, 15 y 22,5 Hz. Estas son las resonancias de Schumann. Las señales espectrales de los rayos se amplifican en esas frecuencias.

Características de guía de ondas

La discusión anterior simplemente ilustra una simple imagen de modo y la teoría de los rayos. Los tratamientos más detallados requieren un programa de ordenador de gran tamaño. En particular, es difícil resolver el problema de las inhomogeneidades horizontales y verticales de la guía de ondas. El efecto de la curvatura de la Tierra es, que cerca de la antípoda la intensidad de campo aumenta ligeramente. Debido a la influencia del campo magnético de la Tierra, el medio se vuelve anisotrópica de modo que el factor de reflexión ionosférica en realidad es una matriz. Esto significa que una onda incidente con polarización vertical después de la reflexión en los ionosféricas conversa D-capa a una vertical y una onda polarizada horizontalmente. Por otra parte, el campo geomagnético da lugar a una no reciprocidad de las ondas de VLF. Las ondas se propagan de este a oeste son más fuertemente atenuada que a la inversa. Parece una fase de deslizamiento cerca de la distancia de la profundidad mínima interferencia del eq .. Durante las horas de salida y/o la puesta del sol, a veces hay una ganancia o pérdida de fase de 360 debido al comportamiento irreversible de la primera ola cielo.

Las características de dispersión de la guía de ondas Tierra-ionosférica pueden ser utilizados para la localización de la actividad tormenta por mediciones de la diferencia del tiempo de retardo de grupo de señales eléctricas a frecuencias adyacentes hasta distancias de 10000 km. Las resonancias de Schumann permiten determinar la actividad global de un rayo.