La ionosfera terrestre
Visión general – Nocturno – Diurno – Efectos del amanecer y el atardecer –
Flama solar – Rayos – Muestra. Datos
Presentación
La ionosfera se define como la capa de la atmósfera terrestre ionizada por la radiación solar y cósmica. Se encuentra entre 75 y 1000 km (46-621 millas) por encima de la Tierra. (El radio de la Tierra es de 6.370 km, por lo que el grosor de la ionosfera es bastante pequeño comparado con el tamaño de la Tierra). Debido a la alta energía del Sol y de los rayos cósmicos, los átomos de esta zona han sido despojados de uno o más de sus electrones, o «ionizados», y por tanto están cargados positivamente. Los electrones ionizados se comportan como partículas libres. La atmósfera superior del Sol, la corona, es muy caliente y produce un flujo constante de plasma y rayos UV y X que salen del Sol y afectan, o ionizan, la ionosfera de la Tierra. Sólo la mitad de la ionosfera de la Tierra está siendo ionizada por el Sol en cualquier momento.
Durante la noche, sin interferencia del Sol, los rayos cósmicos ionizan la ionosfera, aunque no con tanta fuerza como el Sol. Estos rayos de alta energía se originan en fuentes de nuestra propia galaxia y del universo: estrellas de neutrones en rotación, supernovas, radiogalaxias, cuásares y agujeros negros. Por lo tanto, la ionosfera está mucho menos cargada por la noche, razón por la cual muchos de los efectos ionosféricos son más fáciles de detectar por la noche: se necesita un cambio menor para notarlos.
La ionosfera tiene una gran importancia para nosotros porque, entre otras funciones, influye en la propagación de la radio a lugares distantes de la Tierra, y entre los satélites y la Tierra. Para las ondas de muy baja frecuencia (VLF) que rastrean los monitores de meteorología espacial, la ionosfera y el suelo producen una «guía de ondas» a través de la cual las señales de radio pueden rebotar y abrirse camino alrededor de la Tierra curvada:
Guía de ondas» a través de la cual
las señales de radio VLF pueden propagarse o «rebotar» alrededor de la Tierra.
Imagen por cortesía de Morris Cohen, Universidad de Stanford
La ionosfera se compone de tres partes principales, denominadas así por oscuras razones históricas: las regiones D, E y F. La densidad de electrones es mayor en la parte superior, o región F. La región F existe tanto de día como de noche. Durante el día es ionizada por la radiación solar, durante la noche por los rayos cósmicos. La región D desaparece durante la noche en comparación con el día, y la región E se debilita.
La atmósfera terrestre y la ionosfera
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Durante la noche (imagen inferior, lado derecho), la ionosfera sólo tiene las capas F y E. Una onda VLF de un transmisor se refleja en los iones de la capa E y rebota.
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Día
Durante el día (imagen superior, lado izquierdo), los rayos X y la luz ultravioleta del Sol aumentan la ionización de la ionosfera, creando la capa D y potenciando la E, y dividiendo la región F en 2 capas. La capa D normalmente no es lo suficientemente densa como para reflejar las ondas de radio. Sin embargo, la capa E sí lo es, por lo que las señales VLF atraviesan la capa D, rebotan en la capa E y vuelven a bajar por la capa D hasta el suelo. Las señales pierden energía al atravesar la capa D y, por tanto, las radios captan señales más débiles del transmisor durante el día. Cuando se produce una erupción solar, incluso la capa D se ioniza, lo que permite que las señales reboten en ella.
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Efectos del amanecer y el atardecer
La altura de reflexión de las ondas VLF cambia de unos 70 km durante el día a unos 85 km por la noche (44-53 millas). Durante el amanecer, la luz solar incide en la ionosfera antes que en el suelo, y al atardecer la luz sigue incidiendo en la ionosfera después de que el Sol se haya puesto sobre el suelo. El tiempo que tarda el Sol en ionizar la ionosfera una vez que incide en ella es prácticamente instantáneo.
Así que al amanecer y al atardecer, la señal que capta su monitor SID es básicamente el efecto de las ondas VLF que rebotan en la ionosfera a lo largo de todo el trayecto desde el transmisor hasta el receptor, que puede ser de varios miles de kilómetros. Es decir, el monitor capta este proceso de cambio de condiciones a medida que la luz solar barre el trayecto entre el transmisor y el receptor. La duración del efecto depende de la separación longitudinal entre los dos emplazamientos (porque el terminador del amanecer/atardecer tarda más en recorrer el camino). Por lo tanto, si se observan principalmente los trayectos norte/sur entre el transmisor y el receptor, los datos mostrarán un «día» y una noche bien definidos, con una transición bastante rápida. Sin embargo, en los trayectos muy alejados en longitud, el efecto del amanecer/atardecer dura mucho más y no presenta cambios tan rápidos. La latitud también contribuye, ya que el día ecuatorial tiene la misma duración, pero los días de mayor latitud tienen una duración muy estacional.
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Flama solar
Las erupciones solares captadas por el satélite TRACE.
Foto cortesía de la NASA.
Cuando se produce una erupción solar, la energía de los rayos X de la erupción aumenta la ionización de todas las capas, incluida la D. De este modo, la D se vuelve ahora lo suficientemente fuerte como para reflejar las ondas de radio a una menor altura. Así, durante una erupción solar, las ondas recorren menos distancia (rebotan en la D en lugar de la E o la F). La intensidad de la señal suele aumentar porque las ondas no pierden energía al penetrar en la capa D. Sin embargo, la intensidad de las ondas VLF durante una erupción puede aumentar o disminuir. La intensidad de la señal puede disminuir porque cuanto más bajo reflejen las ondas, más colisiones, o interferencias de ondas, habrá debido a la mayor densidad de la atmósfera. Estas colisiones de ondas pueden dar lugar a interferencias destructivas, como se ve en el siguiente diagrama:
Imagen de New Worlds, http://newworlds.colorado.edu/starshade/
De hecho, las colisiones cerca de la altura de reflexión son el principal mecanismo de amortiguación de las ondas VLF. Sin embargo, existen otros factores, por lo que no todas las perturbaciones provocan una disminución. En cuanto terminan los rayos X, la perturbación ionosférica súbita (SID) finaliza, ya que los electrones de la región D se recombinan rápidamente y la intensidad de la señal vuelve a la normalidad.
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Durante el día, la ionización del Sol generalmente supera cualquier efecto de los rayos. Sin embargo, durante la noche, las tormentas eléctricas pueden ionizar la ionosfera y, por lo tanto, cambiar el lugar en el que rebotan las ondas de radio.
Foto de la biblioteca de fotos de la NOAA.
Si ve muchos «meneos» en sus datos durante la noche, es probable que las ondas de radio estén respondiendo a una tormenta eléctrica en algún lugar entre su sitio y el transmisor. ¡Comprobando los informes meteorológicos, y comparando sus datos con los de otros lugares, a veces se puede rastrear dónde fueron estas tormentas!
Noche tormentosa de datos del SID
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Ver datos de muestra del monitor del SID de la OSM en Palo Alto, California, Estados Unidos. Monitorización del transmisor NAA en Cutler, Maine, EE.UU.
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