La propagación ionosférica es el tipo de propagación más frecuente en Onda Corta.
Esta se produce por la refracción (coloquialmente llamada reflexión), una o más veces, de las ondas de radiofrecuencia en las capas de la atmósfera que se encuentran ionizadas por efecto de la radiación solar. La propagación de las ondas por la ionosfera permite que estas queden confinadas entre dicha capa y la superficie terrestre, evitando que se pierdan en el espacio exterior, lo que hace que las distancias alcanzables sean mucho mayores.
El nivel de ionización de la atmósfera depende principalmente de:
La hora del día.
El día del año (estación y horas de radiación solar).
El momento del ciclo solar (medido por el número de manchas solares).
Las capas ionizadas de la atmósfera son las siguientes:
Región D (50 a 90 km): Está estrechamente ligada a la radiación solar y desaparece casi por completo por la noche. Es la principal causante de la atenuación de las frecuencias bajas y de Onda Media durante el día. Al desaparecer por la noche, permite que estas frecuencias alcancen capas más altas y se propaguen a gran distancia.
Región E (90 a 120/140 km): Está vinculada a la radiación solar, se debilita notablemente durante la noche y su máximo de ionización se produce al mediodía. De forma impredecible, en esta zona se pueden formar nubes de ionización muy intensa conocidas como "E Esporádica" ($E_s$), que permiten comunicados sorprendentes en frecuencias elevadas (como la banda de 6 metros o VHF) durante la primavera y el verano.
Región F (entre los 140 y los 1.000 km): Se presenta de forma muy intensa durante el día y, a diferencia de las anteriores, no desaparece completamente por la noche debido a la baja densidad del aire a esa altura, que ralentiza la recombinación de los electrones. Durante el día se subdivide en dos capas (F1 y F2):
Capa F1 (140/150 a 210 km): Existe solo durante el día y actúa principalmente como una capa de paso o absorción menor.
Capa F2 (desde los 210 km hasta los 1.000 km): Es la capa más alta, permanece activa durante la noche y es la responsable principal de las radiocomunicaciones de larga distancia (DX) mediante saltos o rebotes ionosféricos. Curiosamente, debido a la expansión térmica de la atmósfera superior, la capa F2 suele ser más densa y eficiente en los días claros de invierno que en verano.
Algunas consideraciones sobre la dinámica ionosférica
A mayor actividad solar, mayor ionización de la atmósfera: La radiación solar provoca la ionización de los gases atmosféricos. A su vez, los propios electrones libres generados absorben parte de esa energía. Se trata de un proceso dinámico y en constante equilibrio que actúa como un escudo, frenando la cantidad de radiación ionizante extrema que llega a la superficie de la Tierra.
A mayor ionización, más alta es la frecuencia de las ondas que se refractan: Durante los picos más intensos del ciclo solar, la densidad electrónica es tan alta que la ionosfera es capaz de retornar a la Tierra frecuencias muy elevadas, alcanzando la banda de VHF (como los 50 MHz o incluso los 144 MHz). En condiciones de baja actividad solar, estas frecuencias simplemente atraviesan la atmósfera y se pierden en el espacio.
Comportamiento de las ondas que atraviesan las capas: Las ondas de radio cuya frecuencia supera la Frecuencia Máxima Usable (MUF) no se refractan y atraviesan la capa ionizada. Al hacerlo, sufren un grado de atenuación por absorción que es inversamente proporcional a su frecuencia: las frecuencias más bajas sufren una gran pérdida de energía, mientras que las muy altas la atraviesan casi sin alteración.
Comportamiento nocturno de las capas bajas: Al ponerse el sol, las regiones D y E desaparecen casi por completo al carecer de la radiación que las sustenta. Como la capa D es la principal responsable de absorber la energía de las ondas de radio, su desaparición nocturna abre la propagación en las bandas bajas de HF (como 40, 80 y 160 metros), permitiendo que las señales alcancen directamente la capa F con pérdidas mínimas. Los momentos del amanecer y el anochecer son especialmente eficientes (propagación de Línea Gris) debido a la transición rápida de estas estructuras.
Ciclo Solar e Interacción Cósmica
Como se ha mencionado, la ionización de la alta atmósfera depende directamente de la actividad del Sol. Esta actividad está asociada a las manchas solares (sunspots), las cuales siguen un ciclo regular de aproximadamente 11 años. Un mayor número de manchas solares es indicativo de una actividad solar más violenta y una mayor emisión de radiación ultravioleta extrema y rayos X. Esto se traduce en una ionosfera más densa y, por consiguiente, en una MUF (Frecuencia Máxima Usable) notablemente más alta.
Por último, es fundamental señalar la estrecha interacción existente entre dos estructuras plasmáticas y electromagnéticas de la Tierra:
La Ionosfera Terrestre: Región situada entre los 50 km y los 1.000 km de altura. Está compuesta por partículas cargadas (iones y electrones libres) en constante movimiento dinámico debido a vientos atmosféricos y fuerzas térmicas, lo que genera un complejo sistema de corrientes y campos eléctricos globales variables.
La Magnetosfera Terrestre: Es la región del espacio dominada por el campo magnético del planeta, generado por el movimiento del núcleo de metal fundido en el interior de la Tierra (dinamo terrestre). La magnetosfera tiene una geometría asimétrica en forma de gota: se comprime hasta unos 65.000 kilómetros en el lado diurno debido a la presión del viento solar (flujo constante de partículas cargadas del Sol) y se estira en una larga "cola magnética" que se extiende por millones de kilómetros en el lado nocturno.
La interacción entre el viento solar, la magnetosfera y la ionosfera es la responsable de fenómenos críticos para las radiocomunicaciones, tales como las tormentas geomagnéticas, el desvanecimiento de señales (fading) y las auroras polares.
Representación del viento solar (partículas) incidiendo sobre la Tierra y de la magnosfera que lo desvía . Fuente: ESA
Ciclos históricos de manchas solares y detalle de los últimos. En 2023 nos encontramos cerca del máximo de un ciclo que parece que va a ser de alta actividad. Fuente: SWPC
Medida del Estado de Ionización de la Atmósfera
En la actualidad, existen tres métodos principales para monitorizar y conocer el estado de ionización de la atmósfera superior:
- Sondeo Ionosférico (Método Activo Tradicional)
Es el sistema clásico utilizado por laboratorios e institutos geofísicos mediante un instrumento llamado ionosonda. Consiste en la emisión vertical de pulsos de radio que van barriendo de forma continua el espectro de HF (habitualmente entre 1 y 20 MHz). Las frecuencias más bajas se reflejan inmediatamente y regresan a la Tierra. A medida que la frecuencia del barrido aumenta, la onda penetra más profundamente en la capa hasta alcanzar un punto límite en el que la ionosfera ya no es capaz de refractarla y la señal se pierde en el espacio.
El tiempo que tarda el pulso en ir y volver indica la altura virtual de la capa. El gráfico resultante de este proceso se denomina ionograma.
Es un método de monitorización pasivo y colaborativo a nivel global, sustentado en gran medida por la comunidad de radioaficionados a través del protocolo WSPR (Weak Signal Propagation Reporter) y la plataforma WSPRnet.
Aunque este protocolo no mide la altura de las capas mediante el tiempo de vuelo de la onda, proporciona un mapa de conectividad en tiempo real. Al registrar de forma automática qué frecuencias están abiertas entre puntos geográficos específicos, permite conocer de manera empírica el estado de la MUF y la apertura de las diferentes bandas de HF en cada momento del día.
- Contenido Total de Electrones (TEC) mediante GNSS (Método Satelital)
Es la metodología más avanzada y proporciona mediciones de la ionosfera de forma indirecta pero global. Se basa en analizar las señales de radio emitidas por las constelaciones de satélites GNSS (como el sistema GPS estadounidense o el Galileo europeo), las cuales orbitan a alturas de entre 20.000 y 25.000 km.
Este retraso permite calcular el TEC (Total Electron Content), que representa la cantidad total de electrones libres en una columna de un metro cuadrado de sección a través de la atmósfera. A partir de los mapas globales de TEC, los científicos deducen de forma muy precisa los valores de la foF2 en zonas del planeta donde no existen ionosondas físicas.
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| Ionograma en el que se muestran las frecuencias foF2 y la altura a la que se producen (Tipicamente entre 1 y 22 MHz): Fuente: SWS |
MUF (Maximum Usable Frequency - Maxima Frecuencia Utilizable) es la frecuencia máxima que es rebotada o se refleja en la ionosfera y permite un salto de 3.000 km para cada punto del globo terrestre un día y hora concreta
Este segundo mapa muestra la frecuencia crítica a partir de la cual puede producirse un rebote, por lo que para comunicaciones locales hay que usar una frecuencia menor a la crítica
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| Gráfico de la foF2 (Frecuencia máxima de rebote de un sondeo vertical) efectuado desde EA036 EL ARENOSILLO (Observatorio de El Arenosillo, Huelva, Andalucia, España). Fuente: GAMBIT |
La ionosfera para una localización y un tiempo dado refleja ondas de radiofrecuencia siendo la foF2 la frecuencia máxima en la que es reflejada una onda , a partir e dicha frecuencia las ondas atraviesan la ionosfera hacia el espacio. En base a las foF2, que es un valor obtenido de forma experimental mediante un sondeo vertical terrestre se calcula la MUF o máxima frecuencia utilizable para un trayecto o path determinado dado que en dicho trayecto las foF2 variará y que la reflexión o rebote no se produce en la vertical del transmisor sino a 1.000-2000 km de distancia. A mayor actividad solar mayor foF2 y por tanto mayor MUF.
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| Numero de enlaces o QSO por frecuencia y distancia alcanzada. Observe que a menor frecuencia (mayor longitud de onda) menor distancia, pues se refleja la onda en capas mas bajas. Fuente https://www.pskreporter.info/pskmap.html |
Pronósticos y monitorización de la propagación ionosférica
- VOACAP: Voice of America Coverage Analysis Program
- Advanced Refractive Effects Prediction System (AREPS)
- prop.kc2g.com (Predicciones ionosféricas, MUF)
- https://hf.dxview.org/ (Mapa mundial de la MUF )
- Boletin de propagacion de al ARRL
- https://www.swpc.noaa.gov/communities/radio-communications Atenuación Capa-D
- SWPC-SPACE WEATHER PREDICTION CENTER HTTPS://WWW.SWPC.NOAA.GOV/PRODUCTS/SOLAR-CYCLE-PROGRESSION
- Sondeo pasivo ionosférico - El proyecto G3PLX
- Automatic scaling of critical frequency foF2 and MUF(3000)F2: A comparison between Autoscala and ARTIST 4.5 on Rome data Michael Pezzopane and Carlo Scotto
- Predicciones a corto plazo de la frecuencia crítica (ITU)
- Understanding HF/VHF/UHF/SHF Propagation relative to Guided Wave, Ground Wave, Direct Wave, Ionosphere, Troposphere, Aurora, Meteor Scatter, and Earth-MoonEarth (EME or Moon Bounce) Paul L Herrman N0NBH 11 July 2010
- Propagation of RF Signals
- https://dxlook.com/blog/
- ACTIVIDAD SOLAR
- IONOGRAMAS GENERADOS MEDIANTE LA TEC
- MAGNETOSFERA
- On an electromagnetic calculation of ionospheric conductance that seems to override the field line integrated conductivity
- Cluster cumple veinte años estudiando la magnetosfera terrestre by ESA
- INSTITUCIONES
- GIRO https://giro.uml.edu/
- IGS
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