- Una característica de las ondas electromagnéticas
es su polarización, que está determinada por las líneas
de fuerza del campo eléctrico. Se dice que una onda está
polarizada verticalmente cuando estas líneas tienen dirección
vertical y cuando son perpendiculares a ella tiene polarización
horizontal; en variados casos y particularmente con las ondas de VHF, UHF
y SHF sucede que la polarización no sigue siempre el mismo plano,
pudiendo variar su sentido cuando a lo largo de su desplazamiento se producen
reflexiones intencionadas o casuales.
En el espacio libre a medida que una onda electromagnética se aleja de la antena que la radia sufre una progresiva disminución en su intensidad, siendo ésta inversamente proporcional a la distancia. En la propagación terrestre y a través de la atmósfera hay una serie de condicionantes que disminuyen o aumentan la intensidad recibida en un punto distante.
La intensidad de la onda electromagnética de radio se mide por la diferencia de potencial que existe entre dos puntos situados en la dirección del campo eléctrico y separados un metro; la unidad de medida es el voltio/metro, pero dado que es una unidad grande normalmente se utilizan sus submúltiplos: el milivoltio/metro y el microvoltio/metro.
El camino que recorre una onda electromagnética desde que es radiada por la antena de emisión y es recibida en la de recepción, no siempre es el mismo; depende de varios factores, principalmente de su frecuencia o longitud de onda.
Según sea el medio de propagación se clasifican
en: ondas terrestres, ondas troposféricas y ondas ionosféricas.
En la siguiente figura observamos las diferentes regiones en que se considera
dividida la atmósfera terrestre:
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La que está en contacto con la corteza terrestre y llega a alcanzar 18 km de espesor sobre el ecuador, es la tropósfera. Le sigue la estratósfera que se extiende hasta 80 km de altura, estando a continuación la ionósfera.
Estas capas se subdividen en regiones relativamente limitadas y delgadas que pueden ionizarse y producir la reflexión o refracción de las ondas de radio que lleguen a ellas con una serie de condicionantes.
La primera de estas capas está en la estratósfera: se denomina capa D1 estando situada a una altura de unos 50 km; le sigue la región D2 en el límite inferior de la ionósfera; a continuación se encuentra la E, en ella por encima de 80 km se produce esporádicamente la Es, a 105 km la E1 y a 160 km la E2.
A continuación se localizan las capas F: la F1 a una altura de 250 km, la F1,5 sobre los 250 km y la F2 entre 380 y 390 km.
En la propagación de las ondas de radio existen una serie de fenómenos, comunes a todas las otras radiaciones electromagnéticas, como las luminosas. Estos fenómenos son la reflexión, la refracción y la difracción,
Cuando una onda choca contra una superficie y es devuelta normalmente, en parte se produce una reflexión; en el caso de que esta superficie sea buena conductora, reflejará casi toda la energía que llegue a ella, disminuyendo su poder reflectante a medida que sea más aislante; es decir, proporcional a su conductividad.
La reflexión de las ondas de radio cumple las mismas leyes que en óptica y en el caso de un espejo plano al ángulo incidente es igual al de reflexión.
La refracción es el fenómeno que desvía la dirección de propagación de las ondas de radio cuando éstas pasan de un medio a otro medio en el cual la velocidad de propagación es diferente; en la atmósfera se da esta circunstancia por varias causas, como pueden ser: temperatura, humedad, etc., que producen una diferente conductividad en distintas capas.
Esto hace que las ondas de frecuencias muy elevadas se propaguen más lejos del horizonte óptico y que la dirección de propagación se incurve, siguiendo la forma de la Tierra. Algunas veces pueden confundirse la refracción con la reflexión debido a la fuerte intensidad con que se reciben las ondas.
Sabemos que las ondas de radio tienen en muchos casos propiedades semejantes a las lumínicas. Todo rayo luminoso que encuentre un obstáculo en su trayectoria produce sombra y penumbra; esto es la difracción, una onda de radio que encuentre un obstáculo deja al otro lado de él una zona de sombra o un área en la cual no llega esta onda y una parte entre la sombra y la zona iluminada en donde la intensidad de campo es muy pequeña en comparación con el área de rayo directo.
Las ondas de radio pierden parte de su energía en sus recorridos, comúnmente llamada absorción, ya que al excitar a los electrones, parte de la energía se pierde o disipa en forma de calor y solo una parte es irradiada; esta absorción es mayor cuanto mayor es la densidad de partículas no ionizadas en la atmósfera.
Las regiones reflectantes de la atmósfera no están delimitadas, sino que su extensión y espesor es variable; si hiciéramos un corte en una de ellas veríamos que la mayor densidad corresponde a su parte central, mientras que la ionización decrece hacia los extremos hasta desaparecer.
La reflexión de las ondas de radio no es uniforme y la dirección de propagación se incurva, ya que en realidad se ha producido una refracción.
La altura virtual, es la medida de la perpendicular a
la tierra desde el punto que obtendríamos alargando los brazos que
forman los puntos de transmisión y recepción con los extremos
del arco que se forma en la capa refractante como se muestra en la siguiente
figura;
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Por tanto la altura virtual es siempre mayor que la real. La longitud del salto real es igual a la que se produciría si la onda se hubiera reflejado a una altura superior equivalente a la altura virtual.
Vemos que la distancia entre el punto transmisor y el receptor viene determinado por la altura virtual.
Hay otros determinantes tanto más importantes, como son: el ángulo de incidencia de la onda y su frecuencia; cuanto mayor sea el ángulo de incidencia, más distancia de salto podremos lograr y, a medida que el ángulo disminuya, el salto de onda se reducirá, hasta que para un cierto valor de él, la onda penetra en la capa y se pierde.
Al volver la onda a la tierra, ésta puede reflejarla a la ionósfera donde sufrirá una nueva incurvación que producirá un nuevo salto de onda.
En cada salto de onda la señal sufre unas pérdidas, que en parte dependen de la constante dieléctrica del lugar en que se produce la reflexión; la constante dieléctrica puede variar desde 81 para el agua de mar, pasando de 17 a 15 en tierra firme y llegando a 4 o 5 en las ciudades.
Por consiguiente, cuando en el camino de la onda de radio intervienen varios saltos, la intensidad de la recepción será mayor si la onda se refleja en el mar o en agua dulce que si se refleja en el suelo.
Existe también una frecuencia crítica que es la frecuencia de la onda de radio para la cual no se produce ninguna reflexión.
Todas las ondas de frecuencia superior a ella atravesarán la ionósfera sin cambio de dirección y todas las de frecuencia inferior serán reflejadas hacia la tierra. Numerosos observatorios tienen aparatos para medir esta frecuencia crítica; en algunos de ellos se puede predecir con bastante exactitud el alcance de las comunicaciones partiendo de la medición de la altura de la capa reflectante y de la frecuencia crítica.
Para ello se utiliza un aparato, llamado sondeador ionosférico, cuyo principio es semejante al del radar, que funciona por el sistema Breit y Tuve. En esencia consiste en radiar verticalmente un pulso, que es devuelto hacia el receptor por las capas ionizadas, en donde queda registrado.
Haciendo esto en varias y diferentes frecuencias se ve la que no es reflejada, pudiéndose fijar la frecuencia crítica. Normalmente estos equipos "econosondas" funcionan de un modo automático, variando la frecuencia para obtener un registro continuo de puntos frecuencia - altura.
Con estos datos acumulados, se ha logrado conocer la relación que existe entre propagación, frecuencia crítica y altitud de las capas ionizadas. Recordemos que en la atmósfera terrestre existe una región llamada ionósfera, la más extensa de todas; empieza sobre los 80 km de altitud extinguiéndose a los 450 km aproximadamente.
Diferentes capas ionizadas superpuestas dentro de ella son las que producen los fenómenos que permiten las comunicaciones a gran distancia.
La explicación de estas ionizaciones es la siguiente: cuando un átomo de oxígeno o nitrógeno es exitado por los rayos ultravioleta procedentes de las radiaciones solares, entra en oscilación, y ésta llega a ser tan violenta que algunos electrones del átomo se desprenden, dejando un ion y un electrón libre, los cuales recorren un camino para unirse con otro electrón o ion libre y a formar un nuevo átomo.
En la región de menor densidad, la formación de los átomos es lenta, debido a que los iones y electrones están más distanciados. Durante el tiempo en que los iones y electrones están libres, las ondas de radio que chocan con ellos los ponen en oscilación radiando la energía que reciben.
Cuando los electrones se recombinan con los iones rápidamente, la energía que los ha puesto en oscilación se disipa en un porcentaje elevado, siendo muy poca la energía radiada.
En la composición química de las diferentes regiones de la ionósfera encontramos ozono a los 75 km de altitud; a los 100 km el ozono abunda más en forma molecular, para pasar a oxígeno atómico a los 200 km, llegando al limite o final de la ionósfera entre los 450 y 500 km, donde hay moléculas de hidrógeno y átomos de oxígeno en pequeñas proporciones y muy separados.
Al llegar las radiaciones solares a la ionósfera encuentran la región en que la concentración molecular y de átomos es muy débil; por los tanto, es fácil de ionizar y ser excitada por unas frecuencias determinadas. En regiones inferiores, con más moléculas y átomos, el poder de ionización es mayor, pero el camino de los electrones es más corto y por tanto la densidad de ionización es más débil, llegando a la capa baja de la ionósfera en que casi no se produce ionización.
Durante la noche, dado que los rayos solares no existen, la ionización de la ionósfera se detiene; solamente en las regiones más altas sigue alguna actividad, debido al retardo que sufren los electrones en unirse con los iones.
Las comunicaciones que se realizan vía ionósfera pueden ser perturbadas o interrumpidas debido a fenómenos que se producen en la superficie solar, tales como bruscas erupciones o manchas solares.
Pasados unos 15 minutos después de haberse producido una brusca erupción solar, las comunicaciones vía ionósfera son afectadas en gran manera, principalmente las comprendidas en frecuencias de 2 a 30 MHz; durante un tiempo que puede durar varios minutos a una hora, la frecuencia crítica disminuye y la absorción aumenta, llegando a atenuar las señales unos 38 dB por debajo del nivel normal. A medida que aumenta la intensidad de perturbación, las señales desaparecen.
Otra perturbación con efectos similares es la producida por las tormentas ionosféricas, causadas por la llegada de partículas desprendidas de las manchas solares. Después de unas 30 Hrs. de haberse observado la formación de alguna mancha importante, se notan sus efectos, los cuales pueden durar varios días seguidos.
Las tormentas magnéticas en la ionósfera también son producidas por el sol, cuando en ciertos momentos emite ondas electromagnéticas. Estas tormentas dificultan la recepción por el ruido que generan, siendo más intenso en las regiones cercanas al ecuador y en frecuencias superiores a los 10 MHz, pudiendo durar varios días.
La principal causa de la propagación ionósferica y que está en relación directa con ella, es debida a la radiación ultravioleta, que procedente del sol llega a nuestra atmósfera, produciendo su ionización, que en función de la actividad solar será fuerte o débil.
La actividad solar viene determinada por el número de manchas de su superficie; con ayuda de telescopios adecuados las manchas son contabilizadas, ya que radían la mitad de la luz que emite la superficie normal del sol, dando la impresión de zonas apagadas.
Después de muchos años de observaciones de la superficie solar (comprobado desde 1750) se sabe, que el número de manchas visibles siguen un ciclo de 11.1 años, en que van aumentando desde muy pocas, para pasar por un máximo y volver al mínimo. Actualmente hay varias revistas que publican las predicciones y número de manchas para períodos largos; entre ellas está el Boletín de Telecomunicaciones, órgano oficial de la ITU.
A partir de las observaciones y teorías al respecto, se sabe que estas variaciones son periódicas, pero no se conoce a qué leyes obedecen estos ciclos, o si cumplen alguna ley. Por los datos que se tienen de ciclos pasados se ve que el número de manchas por ciclo no coincide.
Durante los ciclos en que la cantidad de manchas es mayor, la ionización también lo es y la frecuencia utilizable sube mucho. Durante el ciclo 19, en el mes de Octubre de 1957, el número de manchas llegó a 209, siendo el máximo registrado hasta la fecha, y el mejor período para las comunicaciones a gran distancia.
Las bandas de 14 y 21 MHz estaban con propagación las 24 Hrs. del día, la de 28 MHz desde antes del amanecer hasta bien entrada la noche, mientras que la de 50 MHz era buena para trabajar estaciones situadas a unos 3,000 km sin problemas casi 12 Hrs. al día.
La máxima frecuencia utilizable sobrepasó los 70 MHz. Posteriormente, el ciclo 20 sobrepasó las predicciones, con un máximo de 126 manchas, prediciendo para el ciclo 21 unas 50 manchas, pero posteriormente nuevos métodos de recuento, revelaron que podría incluso sobrepasar al ciclo 19, cosa que ya se ha comprobado.
El período Octubre - Noviembre de 1979 casi igualó al mismo de 1957, el año 1980 fue algo peor y tuvo un máximo en los años 1981 y 1982, bajando la actividad del sol en 1983. La actividad solar se expresa en unidades Wolf, obtenidas al aplicar la siguiente formula:
G es el número de grupos de manchas.
S es el número de manchas contabilizadas.
El desvanecimiento por absorción no es muy frecuente y normalmente produce una lenta y larga variación de la señal. El desvanecimiento producido por polarización se da cuando una onda que es reflejada o refractada por la ionósfera sufre unos cambios de polaridad. El caso más usual es el desvanecimiento por fase que se da cuando una onda llega al receptor por diferentes caminos a la vez y una parte de la información se recibe antes que la otra, de tal manera que se ha producido un desfase que puede variar de 0 a 180 grados; la resultante en intensidad será del doble a cero de la intensidad normal.
Se llama onda de tierra a las ondas de radio que se propagan a muy poca altura sobre la tierra, ésto es, cerca de su superficie. Estas ondas son afectadas por los accidentes geográficos y la onda que llega a la antena receptora es la resultante de la onda directa y de la reflejada por el suelo. Depende de variables como la frecuencia, la naturaleza del suelo y altura de las antenas. Por este sistema se propagan muchas de las ondas medias.