Propagación de las ondas cortas de radio en el trayecto Moscú - Habana. Propagation of short radiowaves along the Moscow-Havana path

Transcripción

1 Ciencias de la Tierra y el Espacio, 2001, Vol.2, pp , ISSN Propagación de las ondas cortas de radio en el trayecto Moscú - Habana Raúl Martín Hernández (1), Lourdes Palacio Suárez (1) (1) Instituto de Geofísica y Astronomía. Calle 212 No.2906, La Lisa, C. Habana, CP 11600, Cuba. Resumen Recibido: enero-octubre, 2001 Aceptado: noviembre, 2001 Utilizando datos de Sondeo Inclinado de la ionosfera se describe el comportamiento estadístico de las características de la propagación de las ondas de radio en banda decamétrica en el circuito radioeléctrico Moscú - Habana en períodos de baja y alta actividad solar. Se muestra como el estado de la iluminación de la ionosfera determina la posibilidad de recepción en la Habana de las señales de radio emitidas en Moscú, encontrándose que, para las horas cercanas al mediodía (LT) del primer punto de reflejo, se observa un máximo en el paso diario de la Frecuencia Máxima Observada, mientras que en las primeras horas de la madrugada (LT) del último punto de reflejo, próximo a la Habana, se manifiesta el fenómeno de aumento nocturno de la ionización propio de estas latitudes, con un incremento de la MOF en el circuito. El análisis estadístico de las diferentes características permite determinar los intervalos en los que existe propagación y las variaciones de las mismas en dependencia del grado de iluminación del circuito, la estación del año y el nivel de actividad solar. La influencia de esto último se comprueba tanto en los valores mayores de las frecuencias, como en el incremento de la cantidad de modos diferentes de propagación en la fase alta del ciclo. La validez de los pronósticos a largo plazo de las condiciones de propagación en el circuito se comprueban comparando los datos obtenidos experimentalmente con los pronosticados para el propio circuito, encontrándose diferencias sustanciales entre ambos valores: entre el 15 y el 25 % para las horas diurnas y el 20 y el 60 % para la noche. Las mayores diferencias corresponden a los meses de invierno. Palabras clave: Ionosfera Abstract Propagation of short radiowaves along the Moscow-Havana path By making use of the ionosphere oblique sounding data, the statistical behaivor of the characteristics for the propagation of short radiowaves in decametric band, is described along the radioelectric path Moscow - Havana (D a Km) in periods of low and high solar activity. It is showed how the state of ionosphere ilumination determines the possibility of reception in Havana, of radio signals emited from Moscow. It is found that for hours close to the midday (LT) at the first point of reflection, a maximun of the daily step of the Maximun Observed Frequency is observed, while in the first hours of the early morning (LT) at the last point of refletion, very close to Havana, it is observed the phenomenon of a nigthtime increasing of the ionization, proper of these latitudes, with an increasing in the Maximum Observed Frequency on the circuit. The statistical analysis of the different characteristics allows to determine the intervals on which exist propagation and their variations, depending on the ilumination degree of the circut, the season and the level of solar activity. The influence of the former it is proved by comparing both the greater values of the Maximun Observed Frequency and the increment in the quantity of the different modes of propagation in the high phase of the cycle. The validity of the long term forecasting for the propagation conditions in the circut, is proved by comparing the experimental data just got with those predicted. It was found remarked differences among data sets: between 15 and 25 % for diurnal hours and between 20 and 60 % for nigthtime. The greatest differences occur in the winter months. Key words: ionosphere

2 Introducción Las ondas de radio en banda decamétrica son ampliamente utilizadas en las comunicaciones a grandes distancias. El estado de la ionosfera en los diferentes puntos por donde pasan las ondas controla, en gran medida, el comportamiento de estos enlaces. El circuito radioeléctrico Moscú-Habana presenta características que hacen muy compleja las condiciones de propagación de las ondas de radio en el mismo. Entre las que más influyen están: la extensión del trayecto (aproximadamente 10 mil km), la presencia simultanea de diferentes condiciones de iluminación en el trayecto durante gran parte del día y el hecho de que pasa por la zona auroral, (Zhulina, 1973). El Sondeo Inclinado de la ionosfera con barrido de frecuencias se utiliza ampliamente para el estudio, de forma experimental, de las características de la propagación de las ondas de radio en un determinado circuito, ya que permite de una forma sencilla la determinación de las mismas, (CCIR, 1986a,c). Con ayuda de los ionogramas de Sondeo inclinado, que representan la dependencia del tiempo de propagación con la frecuencia de trabajo, es posible determinar de forma directa la gama de frecuencias que se propagan, las diferentes trayectorias (modos) de propagación, las variaciones temporales de estas características, etc. El comportamiento preliminar de las características de la propagación en el circuito Moscú - Habana para un año de mínima actividad solar fue publicado por Martín et al., (1989). En el presente trabajo se muestran los resultados que complementan el anterior, al considerar tanto el período de baja como el de alta actividad solar. Resultados y discusión Propagación en el circuito. Conocer los intervalos en los cuales existe la probabilidad de propagación en un circuito radioeléctrico es de gran importancia para el mejor funcionamiento del mismo. La Fig. 1 muestra estos intervalos para el circuito Moscú- Habana correspondientes a diferentes estaciones del año y dos niveles de actividad solar observados experimentalmente durante los años En todas las figuras y en el texto, de no señalarse otra cosa, las horas se indican en UT. Fig. 1. Intervalos en que existe propagación en el circuito Moscú-Habana. a) Alta actividad solar; b) Baja actividad solar La figura muestra que para la fase de alta actividad solar existe propagación para todas las horas del día en cualquier estación del año, no obstante en invierno -entre las 19 y las 22 hrs- la cantidad de veces en que se reciben señales no alcanza el 50 % de las transmisiones. Para el período de baja actividad solar se nota una marcada variación en la duración del tiempo de propagación para las diferentes estaciones del año. Así en el invierno solo cubre las horas de la mañana y primeras de la tarde, extendiéndose en el equinoccio hasta las últimas horas de la noche, alcanzando en el verano todas las horas del día. En la Fig. 2 se muestra, para los diferentes meses del año, los intervalos en los cuales el Sol ilumina, a una altura de 100 km sobre la superficie terrestre, dos puntos situados a 2000 km, aproximadamente, de los extremos del circuito. 37

3 Fig. 2. Intervalos de iluminación por el Sol a 100 km de altura. a) Primer punto de reflejo; b) Segundo punto de reflejo De todo la anterior se ve que las notables diferencias para los intervalos de propagación entre las fases extremas del ciclo de actividad solar y entre las diferentes estaciones del año en el período de baja se explican por las diferentes condiciones de iluminación solar en el trayecto y el nivel de ionización producido por la misma en la ionosfera. Los intervalos de propagación en baja actividad solar se corresponden con los de iluminación, para cada estación del año, del punto de reflejo situado más próximo al transmisor (primer punto), resaltando la influencia de las condiciones ionosféricas en ese punto sobre la propagación en el circuito. Características de frecuencia. Conocer la gama de frecuencias que se propagan en todo momento de tiempo en un determinado circuito radioeléctrico es fundamental, ya que esto permite aumentar la confiabilidad del mismo al estar condicionada la relación señal/ruido en el punto receptor, entre otros factores, a la frecuencia de trabajo utilizada. Los límites de la gama de frecuencias, determinados por los parámetros de la ionosfera y resultantes de la influencia de diversos factores geofísicos, son una de las características principales de un circuito radioeléctrico de comunicaciones. Tanto las condiciones reflectoras de la ionosfera, la absorción en el trayecto, el nivel de ruido en el punto receptor y las características técnicas de los equipos determinan estos límites (Kosterin, 1978). Las Fig. 3 y 4 muestran el comportamiento de los valores medianos horarios de las frecuencias que se observan en el punto receptor del circuito para diferentes estaciones del año y las fases extremas del ciclo de actividad solar. Frecuencia Máxima Observada. El límite superior de la gama de frecuencias que se propagan en un circuito se denomina Frecuencia Máxima Observada -MOF- y corresponde a la mayor frecuencia para la cual la señal emitida por el transmisor de la estación de sondeo inclinado se observa en el ionograma, independientemente del modo de propagación. Fig. 3. Pasos diarios de las frecuencias que se propagan en el circuito. Alta actividad solar. Líneas discontinuas - MOF; líneas continuas LOF. En las figuras se ve un paso diario muy marcado para cada estación del año, evidenciándose un brusco aumento en el momento en que comienza la iluminación total del trayecto, alcanzándose los valores máximos algo después del mediodía (hora local del primer punto de reflejo). Los valores de MOF se mantienen altos mientras existe la condición de iluminación total comenzando a decrecer al desaparecer la iluminación del primer punto de reflejo. Es interesante destacar la presencia de la anomalía estacional de invierno, propia del período de alta actividad solar. Además es notable que en horas de la noche -LT 75 W- entre las 00 y las 04 se observa el fenómeno de aumento nocturno, el cual se caracteriza por máximos en la concentración electrónica de la capa F2 alrededor de 38

4 la medianoche local (Young et al.,1970; Davies et at.,1979) y cuya ocurrencia y amplitud tiende a incrementarse hacia las bajas latitudes. Para Cuba se reporta (Jakowski, et al., 1986; Lois et al., 1991) que en alta actividad solar se amplifica la intensidad de los incrementos y se maximizan todos los parámetros que lo caracterizan, lo que habla sobre la influencia del último punto de reflejo para esas horas. De las figuras se ve que los valores medianos horarios fluctúan entre 16 y 27 MHz en alta actividad solar y entre 13 y 22 MHz en el período de baja. Frecuencia Mínima Observada. La absorción que sufren las ondas de radio al pasar por la ionosfera representa una de las principales características de la propagación, el conocimiento de su variación temporal tiene gran interés en la práctica de las comunicaciones. Como es conocido la absorción fundamental se presenta en la parte inferior de la ionosfera (región D). El límite inferior de las frecuencias que se registran en los ionogramas de Sondeo Inclinado de la ionosfera, denominado Frecuencia Mínima Observada (LOF), corresponde a la frecuencia cuya intensidad de campo alcanza el nivel mínimo necesario para la propagación en el circuito radioeléctrico estudiado. El valor alcanzado por la LOF permite valorar el nivel relativo de absorción en la ionosfera. Fig. 4. Pasos diarios de las frecuencias que se propagan en el circuito. Baja actividad solar. Líneas discontinuas - MOF; líneas continuas LOF. El paso diario de la LOF en el circuito Moscú - Habana, como se ve de las Fig. 3 y 4 presenta también un incremento en el momento en que el trayecto alcanza la iluminación total, este incremento está relacionado con el aumento de la absorción regular (A): A µ cosn c En las figuras se observa que los valores medianos horarios de la LOF fluctúan entre 10 y 19 MHz para alta actividad solar y entre 9 y 15 MHz para baja. Banda de propagación. El ancho de la banda de frecuencias, d F, que se propagan en un circuito está determinado por la diferencia entre los valores de frecuencias máximos (MOF) y mínimos (LOF) observados en el mismo: d F = MOF - LOF La Fig. 5 muestra la variación temporal de la banda de frecuencias en el enlace radioeléctrico Moscú - Habana. De la figura se ve que, en general, la banda es más ancha en el período de alta actividad solar para cualquier estación del año, presentando un paso diario semejante al que sigue la MOF para las diferentes estaciones, alcanzando los valores máximos alrededor del mediodía local del primer punto de reflejo. En invierno y equinoccio los límites de variación son significativos, cosa que no se presenta en el verano. 39

5 Modos de propagación. Fig 5. Paso diario del valor mediano del ancho de la banda de frecuencias Línea continua alta actividad solar; línea discontinua baja actividad solar La forma fundamental de propagación de las ondas cortas a grandes distancias es mediante reflexiones sucesivas en la ionosfera y la superficie terrestre, o sea, por saltos. En dependencia de la frecuencia de trabajo y el ángulo de emisión la reflexión ocurre en una u otra región de la ionosfera, por esta causa las trayectorias de propagación (modos) se presentan de formas diferentes. Como resultado, al punto de recepción llegan varios rayos con diferentes cantidades de reflexiones en la ionosfera, los que determinan el nivel y carácter de la variación de la señal a la entrada de la instalación receptora. Estas ondas con diferentes cantidades de reflexiones presentan fases y amplitudes aleatorias con el consiguiente efecto de atenuación y multiplicidad de rayos, provocando deformaciones de la señal y limitando la banda de frecuencias a utilizar, todo lo cual disminuye la efectividad del trabajo del circuito y el volumen de transmisión de información (CCIR, 1986c, Ignatov, 1983). Debido a todo lo anterior el conocimiento de las diferentes posibilidades de propagación (cantidad de modos presentes) en un determinado circuito, es de importancia para la explotación del mismo. Los resultados del análisis de la cantidad de modos de propagación observados experimentalmente en el enlace Moscú - Habana se muestran en la Tabla I. La Tabla está dividida teniendo en cuenta diferentes niveles de iluminación en el trayecto: a) Tx iluminado-rx oscuro, b) Tx iluminado-rx iluminado, c) Tx oscuro-rx iluminado y d) Tx oscuro-rx oscuro, las tres estaciones del año y los dos niveles de actividad solar; y se indican tanto la cantidad máxima de modos como la cantidad de modos más probables; Tx - transmisor, Rx - receptor. Tabla I. Cantidad de modos de propagación observados en el circuito Moscú-Habana en dependencia del grado de iluminación en el trayecto. Abreviaturas utilizadas: a) Tx iluminado-rx oscuro b) Tx iluminado-rx iluminado c) Tx oscuro-rx iluminado d) Tx oscuro-rx oscuro I) cantidad máxima II) cantidad más probable De la tabla se ve que la cantidad de modos en alta actividad solar es mayor que en el período de baja. Se destaca además la mayor cantidad de modos cuando el trayecto está totalmente iluminado, en cualquier estación del año. Efectividad de los pronósticos a largo plazo. El pronóstico a largo plazo de la Frecuencia Máxima Utilizable -MUF- para un circuito radioeléctrico de comunicaciones es necesario para la selección de los equipos a utilizar y la planificación de las frecuencias de trabajo en el enlace. Estos pronósticos se confeccionan en base a los datos de Sondeo Vertical de la ionosfera (Chernishev y Vasilieva, 1974; IPG, 1989; CCIR, 1986b). La valoración en el error de los pronósticos a largo plazo se realiza valorando los errores propios de los datos ionosféricos (Zhulina et al., 1973). El error en los pronósticos a largo plazo incluye los errores en el pronóstico de los datos ionosféricos y el error en su transformación a propagación inclinada. 40

6 La confiabilidad en los pronósticos de la FMU puede valorarse también con la utilización del Sondeo Inclinado de la ionosfera debido a la gran exactitud en los datos de frecuencia que brinda el mismo (0,1-0,2 MHz). Las Fig. 6 y 7 muestran los pasos diarios de los valores de frecuencia pronosticados (MUF) para el circuito radioeléctrico Moscú - Habana y las medianas horarias de los valores de frecuencia observados (MOF) en el mismo. Como se ve en las figuras, las variaciones temporales de ambos parámetros son semejantes, estando en el período de baja actividad solar la MUF subvalorada, no señalando los intervalos en que no existe propagación. Para la fase de alta actividad solar en general los valores pronosticados están sobrevalorados para las horas diurnas y subvaloradas durante la noche. Esta característica no se presenta en verano donde durante todo el día se aprecia una subvaloración. Fig 6. Comparación entre los valores de frecuencias pronosticados y observados. Alta actividad solar. Líneas discontinuas MUF; líneas continuas MOF. Conclusiones Fig 7. Comparación entre los valores de frecuencias pronosticados y observados. Baja actividad solar. Líneas discontinuas MUF; líneas continuas MOF. El análisis de la data experimental obtenida durante años de extrema actividad solar en el circuito Moscú - Habana, permitió determinar: La correspondencia existente entre los intervalos en que está iluminado el primer punto de reflejo y los intervalos en que existe propagación en el circuito. Se nota que, durante alta actividad solar hay propagación prácticamente a todas las horas del día de las tres estaciones del año (con una menor probabilidad entre las 19 y 22 hrs del invierno), mientras que en el período de baja actividad solar el intervalo en que hay propagación se va estrechando al alejarnos del verano, así, para los equinoccios esta se limita entre las 5 y las 20 hrs y para el invierno entre las 07 y las 15 hrs. Todo lo anterior permite inferir sobre la influencia de las condiciones ionosféricas de ese punto sobre la propagación en el circuito. Los pasos diarios de las frecuencias, MOF y LOF. Estos son muy marcados para cada estación, evidenciándose un brusco aumento en el momento en que el trayecto alcanza la iluminación total, alcanzándose los valores máximos algo después del mediodía (hora local) del primer punto de reflejo El paso diario de la banda de frecuencias que se propagan por el circuito. El paso es semejante al seguido por la MOF, alcanzando los valores máximos alrededor del mediodía (hora local) del primer punto de reflejo. Esta banda es más ancha en alta actividad solar. En invierno y equinoccio los límites de variación son significativos. La cantidad de modos de propagación observados en el circuito. Se destaca una mayor cantidad en el período de alta actividad solar; lo mismo sucede cuando el trayecto está totalmente iluminado, independientemente del nivel de actividad solar. 41

7 La existencia de diferencias sustanciales entre los valores de Frecuencias Máximas Observadas en la traza y los resultados de los pronósticos de Frecuencia Máxima Utilizables, para la propia traza, emitidos por la entidad de pronósticos del estado de la ionosfera de Rusia. Estas diferencias alcanzan valores entre el % para las horas de la noche y entre el % para las diurnas. Estas diferencias se hacen más notables en los meses de invierno. Referencias CCIR (1986a): Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones. XVI Asamblea Plenaria. Recomendaciones e informes del CCIR. Volumen 6. Informe CCIR (1986b): Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones. XVI Asamblea Plenaria.. Recomendaciones e informes del CCIR Volumen 6. Informe CCIR (1986c): Comité Consultivo Internacional de Radiocomunicaciones. XVI Asamblea Plenaria.. Recomendaciones e informes del CCIR Volumen 6. Informe Chernishev, O.B. y Vasilieva, G.H. (1974): Pronósticos de Frecuencia Máxima Utilizable [en ruso]. Editorial Ciencia, Moscú, 357 pp. Davies, K., Anderson, D.N., Degenhart, W., Hastman, G.K. and Leitenger, R. (1979): Nighttime increase in total electron content observed with ATS-6 radio bacon. J. Geoph. Res., 84(A4), IPG (1989) Instituto de Geofísica Aplicada: Pronóstico Mensual de Frecuencia Máxima Utilizable (FMU). [en ruso]. Editorial Hidrometeorológica, Moscú Ignatov, V.S. (1983): Valoración del retardo relativo máximo de las señales de radio en un año de mínima actividad solar [en ruso]. En: Trabajos del Instituto de Investigaciones Científicas del Artico y la Antártida. Sondeo Inclinado de la Ionosfera, Tomo 390, Jakowski, N, A. Jungstand, B. Lazo y L.Lois (1986): Nighttime enhancement of ionospheric ionization. Proc. 8va. Escuela-seminario de invierno KAPG. Smolenitse, Lois, L., J. Pérez, B. Lazo, N. Jakowski (1991): Incrementos nocturnos de ionización en la región F: Relación con la actividad solar. Revista Geofísica, 34: Kosterin, I.N. (1978): Variación temporal de la gama de frecuencias (MOF-LOF) en circuitos de sondeo inclinado durante condiciones ionosféricas tranquilas [en ruso]. En: Trabajos del Instituto de Investigaciones Científicas del Artico y la Antártida. Sondeo Inclinado de la Ionosfera. Tomo 351, Martín Hernández, R., L. Palacio Suárez y R. Martínez Brunet (1989): Valoración preliminar de la propagación HF en el trayecto Moscú-Habana mediante sondeo inclinado. Ciencias de la Tierra y del Espacio, 15-16, Young, D.M., P.C. Yuev and T. H. Ruel (1970): Anomalous nihgttime increases in total electron content. Planet. Space Sci., 18(3): Zhulina, E.M. (1973): Estudio de las condiciones de propagación en el circuito Moscú-Magadan [en ruso]. En Estudios de propagación de las ondas cortas de radio. Editorial Ciencias, Moscú, Zhulina, E.M:, G.N. Nosova y G.N. Gorbushina (1973): Sobre la exactitud de los pronósticos a largo plazo [en ruso] En: Estudios de propagación de las ondas cortas de radio. Editorial Ciencias, Moscú,