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Evolución diaria de la ionosfera

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Resumen:

En este artículo se ofrece una descripción didáctica, aprovechando datos científicos, de la evolución diaria de las distintas capas de la ionosfera, cuyo conocimiento es fundamental para la explotación adecuada de los sistemas de radiocomunicaciones en la banda de HF.

Para ello, he realizado un análisis de los resultados de las mediciones de la estación de sondeo ionosférico del INTA(Instituto Nacional de Técnica Aerospacial), ubicada en El Arenosillo (Huelva, España), durante el día 18 de marzo de 2010. La ionosonda realiza mediciones de distintos parámetros cada 15 minutos, durante las 24 horas del día, empleando en este caso técnicas de sondeo vertical, es decir, con un ángulo de elevación de 90º (perpendicular a la superficie terrestre).

Estas mediciones permiten obtener mucha información de la ionosfera, como la existencia de las diferentes capas a horas concretas, la altitud a la que se encuentran, su espesor o su frecuencia de corte.

Cada una de las capas de la ionosfera tiene su propia frecuencia de corte (fo), definida como la máxima frecuencia de trabajo que permitirá la reflexión de una onda de radio en dicha capa, utilizando un ángulo de despegue de 90 grados. Así, la capa esporádica Es tiene una frecuencia de corte que denominaremos foEs y la capa F2 tendrá la suya propia, que denominaremos foF2. El conocimiento de la foF2 es fundamental para trabajar en el modo de onda aérea de incidencia casi vertical (NVIS, Near Vertical Incident Skywave), muy utilizado en comunicaciones tácticas y de emergencia, ya que en cada momento del día nos marcará la máxima frecuencia que podemos utilizar.

Los datos recogidos por la ionosonda se registran en un fichero tipo SAO y pueden visualizarse con la herramienta SAO Explorer, desarrollada por el Center for Atmospheric Research, University of Massachussetts Lowell. Para el caso del día bajo estudio, he elaborado un pequeño vídeo que muestra lo que está sucediendo en la ionosfera, cada 15 minutos, durante las 24 horas del día.

 


1. Interpretación de la información.

En el sistema de referencia utilizado, el eje de abscisas se corresponde con la frecuencia en MHz y el eje de ordenadas con la altitud sobre la superficie terrestre, en metros. En la parte superior derecha, en blanco, se muestra la fecha y la hora de cada medición. El vídeo evoluciona mostrando los resultados de las mediciones tomadas cada 15 minutos. En la parte superior, en amarillo, se muestra el registro de una capa determinada de la ionosfera (E, F1, F2) para cada hora concreta, así como su frecuencia de corte (foE, foF1, foF2) en MHz. Las comunicaciones en HF se producen en la mayor parte de los casos por reflexión en la capa F2, luego el valor de la foF2 será el de mayor interés en el análisis.

En la parte inferior de la pantalla, en amarillo, se muestra el registro de apariciones de la capa esporádica Es y su frecuencia de corte foEs.

En la parte central the la pantalla, la curva que aparece en blanco muestra los resultados de las mediciones para la capa F2. El punto donde esta curva intersecta con la perpendicular de la frecuencia de corte foF2 nos permite determinar, utilizando el eje de ordenadas a la izquerda, a qué altitud se ha producido la reflexión.

Para facilitar la interpretación, se omiten otros parámetros medidos por la ionosonda, a los que se hace referencia expresa en el análisis cronológico si pueden aportar información de interés.

 


2. Análisis cronológico.

A continuación se ofrece el análisis cronológico de todos los eventos observados. Las horas están expresadas en GMT. El día de la medición (18/03/2010) la hora en España se correspondía con GMT+1 (GMT en las Islas Canarias), el número de manchas solares era SSN=24 y el índice de flujo solar SFI=84. No se registraron eventos de tormentas solares ni geomagnéticas.

Se recomienda que detenga el vídeo en cada una de las horas clave, para poder examinar los eventos con detenimiento.

00:00 En plena noche, solamente se registra la presencia de la capa F, aquí denominada F2, a una altitud de 292 km. La frecuencia de corte foF2 es de tan sólo 3.100 kHz. Hasta llegadas las 06:30 de la mañana, tan sólo la banda de 160 metros sería apta para comunicaciones NVIS.

02:15 Primera aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 122 km y con una frecuencia de corte foEs de 1.900 kHz. Se mantiene hasta las 02:45, variando la foES a 2.300 kHz.

04:15 Segunda aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 90 km y con una frecuencia de corte foEs de 2.100 kHz. Se mantiene durante 15 minutos.

04:55 El sol comienza a salir por el horizonte.

05:00 Tercera aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 120 km y con una frecuencia de corte foEs de 2.000 kHz. Se mantiene durante 30 minutos.

06:00 Se registra el mínimo en la frecuencia de corte foF2, con un valor de 2.500 kHz. La recombinación de electrones en la ionosfera ha alcanzando su máximo nivel durante la noche. A partir de ese momento, comienza a notarse la presencia del Sol hacia el este y la foF2 empezará a subir. Hasta esta hora, la altitud de la capa F ha oscilado entre 250 km y 317 km.

06:45 Aparece la capa E a una altitud de 108 km y con una frecuencia de corte foE de 1.420 kHz. La frecuencia de corte foF2 de la capa F2 ya ha subido a 4.425 kHz, por lo que la banda de 80 metros comienza a ser apta para NVIS, ventana de trabajo que durará hasta las 20:00 horas.

07:30 Cuarta aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 117 km y con una frecuencia de corte foEs de 2.100 kHz. Se mantiene durante 15 minutos.

08:15 Quinta aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 132 km y con una frecuencia de corte foEs de 3.200 kHz. Se mantiene durante 45 minutos, oscilando su frecuencia de corte foES entre 1.900 kHz y 5.200 kHz.

08:30 Los efectos de la presencia del Sol al amanecer empiezan a hacerse patentes y comienza la fotoionización. La frecuencia de corte de la capa foF2 ya ha subido hasta 5.900 kHz.

09:00 La capa F de la ionosfera, uniforme hasta ahora, empieza a dividirse en las subcapas F1, a 187 km de altitud y F2, a 242 km de altitud.

09:30 Sexta aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 124 km y con una frecuencia de corte foEs de 3.800 kHz. Se mantiene durante 30 minutos.

10:15 Séptima aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 110 km y con una frecuencia de corte foEs de 2.900 kHz. Se mantiene durante 45 minutos.

10:45 La capa F2 se ubica repentinamente a una altura de 307 km. Su frecuencia de corte foF2 ya ha subido hasta 7.050 kHz. La capa F1 está mucho más abajo, a 177 km de altitud.

11:00 La frecuencia de corte foF2 de la capa F2 ya ha subido a 7.400 kHz, por lo que la banda de 40 metros comienza a ser apta para NVIS, ventana de trabajo que durará hasta las 18:45 horas.

11:15 Octava aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 110 km y con una frecuencia de corte foEs de 3.200 kHz. Se mantiene durante 15 minutos. En este momento, además, las subcapas F1 y F2 han vuelto a fusionarse en una única capa F a 222 km de altitud. Un cuarto de hora más tarde, volverán a separarse.

11:45 Al estar el Sol en su punto más alto del día, la fotoionización alcanza sus valores más altos y se produce el máximo del día en la frecuencia de corte foF2 de la capa F2, que alcanza los 8.625 kHz. Se registra además la novena aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 107 km y con una frecuencia de corte foEs de 3.200 kHz. Se mantiene durante 2 horas, oscilando su frecuencia de corte foES entre 3.200 kHz y 6.300 kHz.

12:30 Las subcapas F1 y F2 vuelven a combinarse en una sola capa F a 237 km de altitud, alcanzando ya la frecuencia de corte foF2 los 8.000 kHz.

13:00 Se produce un fallo de sondeo en la ionosonda, por lo que no se dispone de datos en un intervalo de 15 minutos. Se producen fallos de sondeo similares a las 14:00, a las 15:15 y a las 20:15.

13:15 La capa F vuelve a separarse en las subcapas F1 y F2. Se tiene además la décima aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 100 km y con una frecuencia de corte foEs de 4.000 kHz. Se mantendrá durante otras 2 horas y cuarto, alcanzando la foEs hasta 6.300 kHz.

14:45 Las subcapas F1 y F2 vuelven a combinarse, durante un cuarto de hora, en una sola capa F a 242 km de altitud. A continuación vuelven a separarse.

15:45 Las subcapas F1 y F2 vuelven a combinarse, durante un media hora, en una sola capa F a 222 km de altitud. A continuación vuelven a separarse.

16:45 Undécima aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 135 km y con una frecuencia de corte foEs de 3.800 kHz. Se mantiene durante 1 hora y 45 minutos.

18:30 Con la caída de la tarde, la fotoionización comienza a perder fuerza y empieza la recombinación de los electrones libres en la ionosfera. La densidad de ionización de la capa E comienza a ser tan baja que la ionosonda deja de registrarla, a pesar de que no llega a desaparecer completamente. La subcapa F1 ya no volverá a aparecer hasta el día siguiente y la frecuencia de corte foF2 de la capa F2 comenzará descender bruscamente, aunque en este momento todavía se mantiene en 7.600 kHz.

18:45 La frecuencia de corte foF2 de la capa F2 ha descendido a unos 7.000 kHz y la banda de 40m deja de ser utilizable para NVIS.

19:15 A pesar de que la capa E ya tiene una densidad de ionización muy débil, se registra la duodécima aparición de la capa esporádica Es, a una altitud de 120 km y con una frecuencia de corte foEs de 2.700 kHz. Se mantiene durante 45 minutos.

20:00 La frecuencia de corte foF2 de la capa F2 continúa su descenso, llegando ya a los 4.400 kHz. La banda de 80m dejará de ser utilizable para NVIS en el siguiente cuarto de hora.

20:15 Llega el ocaso y el Sol desaparece en el horizonte.

20:45 Decimotercera aparición  de la capa esporádica Es, a una altitud de 120 km y con una frecuencia de corte foEs de 2.600 kHz. La capa Es se mantiene esta vez hasta medianoche, oscilando su frecuencia de corte entre 1.900 y 2.900 kHz.

22:45 La frecuencia de corte foF2 de la capa F2 continúa su descenso, llegando ya a los 3.400 kHz.

23:45 A punto de llegar a la medianoche, los efectos de la recombinación son ya muy notables y la frecuencia de corte foF2 de la capa F2 ya ha bajado hasta 2.700 kHz. Comenzará un nuevo día.

 


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