Guia de ondas da ionosfera da Terra - Earth–ionosphere waveguide

O guia de ondas da ionosfera Terra se refere ao fenômeno no qual certas ondas de rádio podem se propagar no espaço entre o solo e os limites da ionosfera . Como a ionosfera contém partículas carregadas , ela pode se comportar como um condutor . A terra opera como um plano de terra e a cavidade resultante se comporta como um grande guia de ondas .

Sinais de frequência extremamente baixa (ELF) (<3 kHz) e de frequência muito baixa (VLF) (3–30 kHz) podem se propagar com eficiência neste guia de onda. Por exemplo, os relâmpagos lançam um sinal chamado rádio atmosférico , que pode viajar muitos milhares de quilômetros, porque eles estão confinados entre a Terra e a ionosfera. A natureza de volta ao mundo do guia de ondas produz ressonâncias , como uma cavidade, que estão em ~ 7 Hz.

Introdução

Guia de ondas da ionosfera da Terra
Figura 1. Geometria da propagação dos raios dentro do guia de ondas da ionosfera Terra. A onda terrestre e duas ondas do céu são exibidas
Figura 2. Altura de reflexão real e virtual
Figura 3. Força de campo vertical normalizada E _z vs. distância ρ em magnitude (linha sólida, ordenada esquerda) e fase (linha tracejada, ordenada direita).
Figura 4. Magnitude das funções de transferência do modo zero e do primeiro modo versus frequência nas distâncias 1000, 3000 e 10000 km usando as condições do horário diurno.

A propagação de rádio na ionosfera depende da frequência, ângulo de incidência , hora do dia, estação do ano, campo magnético da Terra e atividade solar. Na incidência vertical, ondas com frequências maiores do que a frequência do plasma do elétron ( em Hz) do máximo da camada F ${\ displaystyle f_ {e}}$

{\ displaystyle f_ {e} = 9 {\ sqrt {N_ {e}}}}

( 1 )

( em é a densidade do elétron) pode se propagar através da ionosfera quase imperturbável. Ondas com frequências menores do que as refletidas nas camadas D, E e F ionosféricas. f _e é da ordem de 8–15 MHz durante as condições diurnas. Para incidência oblíqua, a frequência crítica torna-se maior. ${\ displaystyle N_ {e}}$ ${\ displaystyle m ^ {- 3}}$ ${\ displaystyle f_ {e}}$

Frequências muito baixas (VLF: 3–30 kHz) e frequências extremamente baixas (ELF: <3 kHz) são refletidas na camada D ionosférica e na camada E inferior. Uma excepção é Whistler propagação de relâmpago sinais ao longo das linhas do campo geomagnético.

Os comprimentos de onda das ondas VLF (10–100 km) já são comparáveis com a altura da camada D ionosférica (cerca de 70 km durante o dia e 90 km durante a noite). Portanto, a teoria dos raios só é aplicável para propagação em distâncias curtas, enquanto a teoria dos modos deve ser usada para distâncias maiores. A região entre a superfície da Terra e a camada D ionosférica se comporta assim como um guia de ondas para ondas VLF e ELF.

Na presença do plasma ionosférico e do campo geomagnético , as ondas eletromagnéticas existem para frequências maiores que a girofrequência dos íons (cerca de 1 Hz). Ondas com frequências menores que a girofrequência são chamadas de ondas hidromagnéticas. As pulsações geomagnéticas com períodos de segundos a minutos, bem como as ondas de Alfvén, pertencem a esse tipo de ondas.

Função de transferência

O protótipo de uma antena de haste vertical curta é um dipolo elétrico vertical Hertz no qual circulam correntes elétricas alternadas de freqüência f. Sua radiação de ondas eletromagnéticas dentro do guia de ondas ionosférico da Terra pode ser descrita por uma função de transferência T (ρ, ω):

{\ displaystyle E_ {z} (\ rho, \ omega) = T (\ rho, \ omega) E_ {o} (\ rho, \ omega)}

( 2 )

onde E _z é a componente vertical do campo elétrico no receptor a uma distância ρ do transmissor, E _o é o campo elétrico de um dipolo Hertziano no espaço livre e a frequência angular . No espaço livre, é . Evidentemente, o guia de ondas da ionosfera Terra é dispersivo porque a função de transferência depende da frequência. Isso significa que a velocidade de fase e de grupo das ondas depende da frequência. ${\ displaystyle \ omega = 2 \ pi f}$ ${\ displaystyle T = 1}$

Teoria do raio

Na faixa de VLF, a função de transferência é a soma de uma onda terrestre que chega diretamente ao receptor e as ondas do céu multihop refletidas na camada D ionosférica (Figura 1).

Para a superfície real da Terra, a onda terrestre se dissipa e depende da orografia ao longo do caminho do raio. Para ondas VLF em distâncias mais curtas, este efeito é, no entanto, de menor importância, e o fator de reflexão da Terra é , em uma primeira aproximação. ${\ displaystyle R_ {e} = 1}$

Em distâncias mais curtas, apenas a onda do céu do primeiro salto é importante. A camada D pode ser simulada por uma parede magnética ( ) com um limite fixo em uma altura virtual h, o que significa um salto de fase de 180 ° no ponto de reflexão. Na realidade, a densidade de elétrons da camada D aumenta com a altitude, e a onda é limitada conforme mostrado na Figura 2. ${\ displaystyle R_ {i} = - 1}$

A soma da onda terrestre e a onda do primeiro salto exibe um padrão de interferência com mínimos de interferência se a diferença entre os caminhos dos raios do solo e a primeira onda do céu for metade do comprimento de onda (ou uma diferença de fase de 180 °). A última interferência mínima no solo (z = 0) entre a onda terrestre e a primeira onda do céu está a uma distância horizontal de

{\ displaystyle \ rho _ {1} \ approx {\ dfrac {2fh ^ {2}} {c}}}

( 3 )

com c a velocidade da luz. No exemplo da Figura 3, isso está a cerca de 500 km de distância.

Teoria do modo de onda

A teoria da propagação de raios das ondas VLF se quebra em distâncias maiores porque na soma dessas ondas estão envolvidas ondas multi-saltos sucessivas do céu, e a soma diverge. Além disso, torna-se necessário levar em conta a Terra esférica. A teoria do modo, que é a soma dos modos próprios no guia de ondas da ionosfera Terra, é válida nesta faixa de distâncias. Os modos de onda têm estruturas verticais fixas de seus componentes de campo elétrico vertical com amplitudes máximas na parte inferior e amplitudes zero na parte superior do guia de ondas. No caso do primeiro modo fundamental, é um quarto do comprimento de onda. Com frequência decrescente, o valor próprio torna-se imaginário na frequência de corte , onde o modo muda para uma onda evanescente. Para o primeiro modo, isso acontece em

{\ displaystyle f_ {co} = {\ dfrac {c} {4h}} \ aproximadamente 1 ~ kHz}

( 4 )

abaixo do qual esse modo não se propagará (Figura 4).

A atenuação dos modos aumenta com o número de onda n. Portanto, essencialmente, apenas os dois primeiros modos estão envolvidos na propagação da onda. O primeiro mínimo de interferência entre esses dois modos está à mesma distância do último mínimo de interferência da teoria dos raios ( Eq. 3 ), indicando a equivalência de ambas as teorias. na Figura 3, o espaçamento entre os mínimos de interferência de modo é constante e cerca de 1000 km neste exemplo. O primeiro modo se torna dominante em distâncias maiores do que cerca de 1500 km, porque o segundo modo é mais fortemente atenuado do que o primeiro modo.

Na faixa de ondas ELF, apenas a teoria dos modos é apropriada. O modo fundamental é o modo zero (Figura 4). A camada D torna-se aqui uma parede elétrica (R _i = 1). Sua estrutura vertical é simplesmente um campo elétrico vertical constante com a altitude.

Em particular, um modo zero de ressonância existe para ondas que são parte integrante da circunferência da Terra e tem a frequência

{\ displaystyle f_ {m} = {\ dfrac {mc} {2a \ pi}} kHz}

{\ displaystyle (m = 1,2, ...)}

( 5 )

com o raio da Terra. Os primeiros picos de ressonância estão em 7,5, 15 e 22,5 Hz. Essas são as ressonâncias de Schumann . Os sinais espectrais dos raios são amplificados nessas frequências.

Características do guia de ondas

A discussão acima apenas ilustra uma imagem simples da teoria do modo e do raio. Tratamentos mais detalhados requerem um grande programa de computador. Em particular, é difícil resolver o problema das não homogeneidades horizontal e vertical do guia de ondas. O efeito da curvatura da Terra é que perto do antípoda a intensidade do campo aumenta ligeiramente. Devido à influência do campo magnético da Terra, o meio torna-se anisotrópico de forma que o fator de reflexão ionosférica na realidade é uma matriz. Isso significa que uma onda incidente polarizada verticalmente após a reflexão na camada D ionosférica se converte em uma onda polarizada verticalmente e horizontalmente. Além disso, o campo geomagnético dá origem a uma não reciprocidade de ondas VLF. As ondas que se propagam de leste para oeste são mais fortemente atenuadas do que vice-versa. Parece um deslizamento de fase próximo à distância do mínimo de interferência profunda da Eq. 3 . Durante os horários do nascer e / ou pôr do sol, às vezes há um ganho ou perda de fase de 360 ° devido ao comportamento irreversível da primeira onda do céu.

As características de dispersão do guia de ondas ionosférico da Terra podem ser usadas para localizar a atividade de tempestades por meio de medições da diferença do atraso de grupo dos sinais de relâmpagos ( sferics ) em frequências adjacentes até distâncias de 10.000 km. As ressonâncias de Schumann permitem determinar a atividade global dos raios.

Veja também

Referências e notas

Notas

Citações

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