Onda ionosférica

En las comunicaciones por radio , el término onda ionosférica o salto se refiere a la propagación de ondas de radio reflejadas o refractadas de regreso hacia la Tierra desde la ionosfera , una capa cargada eléctricamente de la atmósfera superior . Dado que no está limitada por la curvatura de la Tierra, la propagación de ondas ionosféricas se puede utilizar para comunicarse más allá del horizonte , a distancias intercontinentales. Se utiliza principalmente en las bandas de frecuencia de onda corta .

Como resultado de la propagación de ondas ionosféricas, una señal de una estación de radiodifusión AM distante, una estación de onda corta o, durante condiciones de propagación E esporádica (principalmente durante los meses de verano en ambos hemisferios), una estación de TV o FM VHF distante a veces se puede recibir con tanta claridad como las estaciones locales. La mayoría de las comunicaciones por radio de onda corta ( alta frecuencia ) de larga distancia, entre 3 y 30 MHz, son el resultado de la propagación de ondas ionosféricas. Desde principios de la década de 1920, los operadores de radioaficionados (o "radioaficionados"), limitados a una potencia de transmisión menor que las estaciones de radiodifusión , han aprovechado las ondas ionosféricas para la comunicación de larga distancia (o " DX ").

La propagación de ondas ionosféricas es distinta de la propagación en línea de visión , en la que las ondas de radio viajan en línea recta, y de la propagación sin línea de visión .

Las transmisiones de ondas ionosféricas se pueden utilizar para comunicaciones de larga distancia (DX) mediante ondas dirigidas en un ángulo bajo, así como para comunicaciones relativamente locales mediante ondas dirigidas casi verticalmente ( ondas ionosféricas de incidencia casi vertical – NVIS ).

La ionosfera es una región de la atmósfera superior , desde aproximadamente 80 km (50 millas) hasta 1000 km (600 millas) de altitud, donde el aire neutro es ionizado por fotones solares , partículas solares y rayos cósmicos . Cuando las señales de alta frecuencia ingresan a la ionosfera en un ángulo bajo, la capa ionizada las desvía hacia la Tierra. ^{[1] Si la} ionización máxima es lo suficientemente fuerte para la frecuencia elegida, una onda saldrá de la parte inferior de la capa hacia la Tierra, como si se reflejara oblicuamente en un espejo. Luego, la superficie de la Tierra (suelo o agua) refleja la onda descendente nuevamente hacia la ionosfera.

Cuando se opera a frecuencias justo por debajo de la frecuencia máxima utilizable , las pérdidas pueden ser bastante pequeñas, por lo que la señal de radio puede efectivamente "rebotar" o "saltar" entre la Tierra y la ionosfera dos o más veces (propagación de múltiples saltos), incluso siguiendo la curvatura de la Tierra. En consecuencia, incluso señales de solo unos pocos vatios a veces pueden recibirse a muchos miles de millas de distancia. Esto es lo que permite que las transmisiones de onda corta viajen por todo el mundo. Si la ionización no es lo suficientemente grande, la onda solo se curva ligeramente hacia abajo y, posteriormente, hacia arriba a medida que se pasa el pico de ionización, de modo que sale de la parte superior de la capa solo ligeramente desplazada. La onda se pierde en el espacio. Para evitar esto, se debe elegir una frecuencia más baja. Con un solo "salto", se pueden alcanzar distancias de trayectoria de hasta 3500 km (2200 millas). Pueden ocurrir transmisiones más largas con dos o más saltos. ^[2]

Las ondas ionosféricas dirigidas casi verticalmente se conocen como ondas ionosféricas de incidencia casi vertical ( NVIS ) . En algunas frecuencias, generalmente en la región de onda corta inferior , las ondas ionosféricas de ángulo alto se reflejarán directamente hacia el suelo. Cuando la onda regresa al suelo se extiende sobre un área amplia, lo que permite comunicaciones dentro de varios cientos de millas de la antena transmisora. NVIS permite comunicaciones locales y regionales, incluso desde valles bajos, a un área grande, por ejemplo, un estado entero o un país pequeño. La cobertura de un área similar a través de un transmisor VHF de línea de visión requeriría una ubicación en la cima de una montaña muy alta. Por lo tanto, NVIS es útil para redes estatales, como las necesarias para comunicaciones de emergencia. ^[3] En la transmisión de onda corta, NVIS es muy útil para transmisiones regionales que están dirigidas a un área que se extiende desde la ubicación del transmisor a unos pocos cientos de millas, como sería el caso de un país o grupo lingüístico al que se llegaría desde dentro de las fronteras de ese país. Esto será mucho más económico que usar múltiples transmisores de transmisión FM (VHF) o AM. Las antenas adecuadas están diseñadas para producir un lóbulo fuerte en ángulos altos. Cuando no se desea una onda ionosférica de corto alcance, como cuando una emisora ​​de AM desea evitar la interferencia entre la onda terrestre y la onda ionosférica, se utilizan antenas antidesvanecimiento para suprimir las ondas que se propagan en ángulos más altos.

Para cada distancia, desde la transmisión local hasta la de máxima distancia (DX), existe un ángulo de "despegue" óptimo para la antena, como se muestra aquí. Por ejemplo, si se utiliza la capa F durante la noche, para alcanzar mejor a un receptor a 500 millas de distancia, se debe elegir una antena que tenga un lóbulo fuerte a una elevación de 40 grados. También se puede ver que para las distancias más largas, lo mejor es un lóbulo con ángulos bajos (por debajo de los 10 grados). Para NVIS, los ángulos superiores a los 45 grados son óptimos. Las antenas adecuadas para largas distancias serían una Yagi alta o una rómbica; para NVIS, un dipolo o una matriz de dipolos de aproximadamente 0,2 longitudes de onda sobre el suelo; y para distancias intermedias, un dipolo o una Yagi de aproximadamente 0,5 longitudes de onda sobre el suelo. Se utilizan patrones verticales para cada tipo de antena para seleccionar la antena adecuada.

A cualquier distancia, las ondas ionosféricas se desvanecen. La capa de plasma ionosférico con suficiente ionización (la superficie reflectante) no es fija, sino que ondula como la superficie del océano. La variación de la eficiencia de reflexión de esta superficie cambiante puede hacer que la intensidad de la señal reflejada cambie, lo que provoca " desvanecimiento " en las transmisiones de onda corta. El desvanecimiento puede ocurrir incluso más grave cuando las señales llegan a través de dos o más caminos, por ejemplo, cuando las ondas de un solo salto y las de doble salto interfieren entre sí, o cuando una señal de onda ionosférica y una señal de onda terrestre llegan con aproximadamente la misma intensidad. Esta es la fuente más común de desvanecimiento en las señales de transmisión AM nocturnas. El desvanecimiento siempre está presente en las señales de onda ionosférica y, a excepción de las señales digitales como Digital Radio Mondiale, limita seriamente la fidelidad de las transmisiones de onda corta.

Las señales VHF con frecuencias superiores a los 30 MHz suelen penetrar la ionosfera y no regresan a la superficie de la Tierra. El salto electromagnético es una notable excepción: las señales VHF, incluidas las señales de radiodifusión FM y de televisión VHF, se reflejan con frecuencia en la Tierra a finales de la primavera y principios del verano. El salto electromagnético rara vez afecta a las frecuencias UHF , salvo en casos muy raros por debajo de los 500 MHz.

Las frecuencias inferiores a aproximadamente 10 MHz (longitudes de onda superiores a 30 metros), incluidas las emisiones en las bandas de onda media y onda corta (y en cierta medida onda larga ), se propagan con mayor eficiencia por ondas ionosféricas durante la noche. Las frecuencias superiores a 10 MHz (longitudes de onda inferiores a 30 metros) suelen propagarse con mayor eficiencia durante el día. Las frecuencias inferiores a 3 kHz tienen una longitud de onda mayor que la distancia entre la Tierra y la ionosfera. La frecuencia máxima utilizable para la propagación de ondas ionosféricas está fuertemente influenciada por el número de manchas solares .

La propagación de las ondas ionosféricas suele verse degradada (a veces gravemente) durante las tormentas geomagnéticas . La propagación de las ondas ionosféricas en el lado de la Tierra iluminado por el sol puede verse totalmente alterada durante perturbaciones ionosféricas repentinas .

Debido a que las capas de menor altitud ( en particular la capa E ) de la ionosfera desaparecen en gran medida durante la noche, la capa refractaria de la ionosfera se encuentra mucho más arriba de la superficie de la Tierra durante la noche. Esto conduce a un aumento en la distancia de "salto" o "salto" de la onda ionosférica durante la noche.

A los radioaficionados se les atribuye el descubrimiento de la propagación de ondas ionosféricas en las bandas de ondas cortas. Los primeros servicios de larga distancia utilizaban la propagación de ondas terrestres a frecuencias muy bajas , ^[4] que se atenúan a lo largo del camino. Las distancias más largas y las frecuencias más altas utilizando este método significaban una mayor atenuación de la señal. Esto, y las dificultades para generar y detectar frecuencias más altas, hicieron que el descubrimiento de la propagación de ondas cortas fuera difícil para los servicios comerciales.

En diciembre de 1921, los radioaficionados realizaron las primeras pruebas transatlánticas exitosas utilizando ondas más cortas que las utilizadas por los servicios comerciales ^{[5] , operando en la banda} de onda media de 200 metros (1500 kHz), la longitud de onda más corta disponible entonces para los radioaficionados. En 1922, cientos de radioaficionados norteamericanos fueron escuchados en Europa a 200 metros y al menos 30 radioaficionados norteamericanos escucharon señales de radioaficionados de Europa. Las primeras comunicaciones bidireccionales entre radioaficionados norteamericanos y hawaianos comenzaron en 1922 a 200 metros.

Las interferencias extremas en el límite superior de la banda de 150-200 metros (las longitudes de onda oficiales asignadas a los radioaficionados por la Segunda Conferencia Nacional de Radio ^[6] en 1923) obligaron a los radioaficionados a cambiar a longitudes de onda cada vez más cortas; sin embargo, los radioaficionados estaban limitados por la reglamentación a longitudes de onda superiores a 150 metros (2 MHz). Unos pocos radioaficionados afortunados que obtuvieron un permiso especial para comunicaciones experimentales por debajo de los 150 metros completaron cientos de contactos bidireccionales de larga distancia en 100 metros (3 MHz) en 1923, incluidos los primeros contactos bidireccionales transatlánticos ^[7] en noviembre de 1923, en 110 metros (2,72 MHz).

En 1924, muchos radioaficionados adicionales con licencia especial realizaban rutinariamente contactos transoceánicos a distancias de 6000 millas (~9600 km) y más. El 21 de septiembre, varios radioaficionados de California completaron contactos bidireccionales con un radioaficionado de Nueva Zelanda. El 19 de octubre, radioaficionados de Nueva Zelanda e Inglaterra completaron un contacto bidireccional de 90 minutos casi al otro lado del mundo. El 10 de octubre, la Tercera Conferencia Nacional de Radio puso a disposición de los radioaficionados estadounidenses ^[8] tres bandas de onda corta : 80 metros (3,75 MHz), 40 metros (7 MHz) y 20 metros (14 MHz). Estas bandas se asignaron a nivel mundial, mientras que la banda de 10 metros (28 MHz) fue creada por la Conferencia Radiotelegráfica Internacional de Washington ^[9] el 25 de noviembre de 1927. La banda de 15 metros (21 MHz) se abrió a los radioaficionados de los Estados Unidos el 1 de mayo de 1952.

Guglielmo Marconi fue el primero en demostrar que las radios podían comunicarse más allá de la línea de visión, utilizando las propiedades reflectantes de la ionosfera. El 12 de diciembre de 1901, envió un mensaje a unas 2200 millas (3500 km) desde su estación de transmisión en Cornualles , Inglaterra, a St. John's , Terranova (hoy parte de Canadá ). Sin embargo, Marconi creía que las ondas de radio seguían la curvatura de la Tierra: las propiedades reflectantes de la ionosfera que permiten las "ondas celestes" aún no se entendían. El escepticismo de la comunidad científica y sus competidores del telégrafo alámbrico impulsaron a Marconi a seguir experimentando con transmisiones inalámbricas y emprendimientos comerciales asociados durante las siguientes décadas. ^[10]

En junio y julio de 1923, las transmisiones de tierra a barco de Guglielmo Marconi se completaron durante las noches en 97 metros desde la estación inalámbrica de Poldhu , Cornualles , hasta su yate Ellette en las islas de Cabo Verde . En septiembre de 1924, Marconi transmitió durante el día y la noche en 32 metros desde Poldhu hasta su yate en Beirut . En julio de 1924, Marconi firmó contratos con la Oficina General de Correos británica (GPO) para instalar circuitos de telegrafía de onda corta de alta velocidad desde Londres a Australia, India, Sudáfrica y Canadá como el elemento principal de la Cadena Inalámbrica Imperial . El "Servicio Inalámbrico Beam" de onda corta del Reino Unido a Canadá entró en funcionamiento comercial el 25 de octubre de 1926. Los servicios inalámbricos Beam del Reino Unido a Australia, Sudáfrica e India entraron en servicio en 1927.

Hay mucho más espectro disponible para las comunicaciones a larga distancia en las bandas de ondas cortas que en las de ondas largas; y los transmisores, receptores y antenas de ondas cortas eran órdenes de magnitud menos costosos que los transmisores de cientos de kilovatios y las monstruosas antenas necesarias para las ondas largas.

Las comunicaciones de onda corta comenzaron a crecer rápidamente en la década de 1920, ^[11] de manera similar a Internet a fines del siglo XX. Para 1928, más de la mitad de las comunicaciones de larga distancia habían pasado de los cables transoceánicos y los servicios inalámbricos de onda larga a la transmisión de onda corta "saltada", y el volumen general de las comunicaciones de onda corta transoceánicas había aumentado enormemente. Las ondas cortas también terminaron con la necesidad de inversiones multimillonarias en nuevos cables telegráficos transoceánicos y enormes estaciones inalámbricas de onda larga, aunque algunos cables telegráficos transoceánicos y estaciones de comunicaciones comerciales de onda larga existentes siguieron en uso hasta la década de 1960.

Las compañías de cable comenzaron a perder grandes sumas de dinero en 1927, y una grave crisis financiera amenazó la viabilidad de las compañías de cable que eran vitales para los intereses estratégicos británicos. El gobierno británico convocó la Conferencia Imperial de Cable e Inalámbrico ^[12] en 1928 "para examinar la situación que había surgido como resultado de la competencia de Beam Wireless con los Servicios de Cable". Recomendó y recibió la aprobación del gobierno para que todos los recursos de cable e inalámbricos del Imperio en el extranjero se fusionaran en un solo sistema controlado por una compañía recién formada en 1929, Imperial and International Communications Ltd. El nombre de la compañía se cambió a Cable and Wireless Ltd. en 1934.

• Marina - Propagación de ondas
• Fundamentos de la propagación de ondas de radio
• Foros de propagación de HFRadio
• Una rara llamarada de rayos gamma perturbó la ionosfera
• Artículos sobre propagación de radio esporádica de E y 50 MHz
• Descripción general de la propagación por radio Detalles de muchas formas de propagación por radio