Una señal de radio atmosférica o esférica (a veces también escrita "esférica") es un impulso electromagnético de banda ancha que se produce como resultado de las descargas atmosféricas naturales de rayos . Los esféricos pueden propagarse desde la fuente del rayo sin mayor atenuación en la guía de ondas Tierra-ionosfera y pueden recibirse a miles de kilómetros de su fuente. En un gráfico en el dominio del tiempo, una esférica puede aparecer como un único pico de alta amplitud en los datos en el dominio del tiempo. En un espectrograma , un esférico aparece como una franja vertical (que refleja su naturaleza impulsiva y de banda ancha) que puede extenderse desde unos pocos kHz hasta varias decenas de kHz, dependiendo de las condiciones atmosféricas.
Las frecuencias recibidas desde una distancia de aproximadamente 2.000 kilómetros o más tienen una ligera compensación en el tiempo, lo que produce ajustes .
Cuando la energía electromagnética de una esfera esférica escapa de la guía de ondas de la ionosfera Tierra y entra en la magnetosfera , el plasma cercano a la Tierra la dispersa , formando una señal de silbido . Debido a que la fuente del silbido es un impulso (es decir, el esférico), un silbido puede interpretarse como la respuesta al impulso de la magnetosfera (para las condiciones en ese instante particular).
Un canal de rayos con todas sus ramas y sus corrientes eléctricas se comporta como un enorme sistema de antenas desde el que se irradian ondas electromagnéticas de todas las frecuencias. Más allá de una distancia donde la luminosidad es visible y se pueden escuchar los truenos (normalmente unos 10 km), estos impulsos electromagnéticos son las únicas fuentes de información directa sobre la actividad de las tormentas en tierra. Las corrientes eléctricas transitorias durante los golpes de retorno (golpes R) o los golpes intranubes (golpes K) son las principales fuentes para la generación de radiación electromagnética de tipo impulsivo conocida como esféricas (a veces llamada atmosférica). [1] Si bien esta radiación impulsiva domina en frecuencias inferiores a aproximadamente 100 kHz (llamadas libremente ondas largas), un componente de ruido continuo se vuelve cada vez más importante en frecuencias más altas. [2] [3] La propagación electromagnética de onda larga de los esféricos tiene lugar dentro de la guía de ondas Tierra-ionosfera entre la superficie de la Tierra y las capas ionosféricas D y E. Los silbidos generados por los rayos pueden propagarse hacia la magnetosfera a lo largo de las líneas de fuerza geomagnéticas . [4] [5] Finalmente, los rayos o duendes de la atmósfera superior , que ocurren en altitudes mesosféricas, son fenómenos de ruptura eléctrica de corta duración, probablemente generados por rayos gigantes en el suelo.
En un típico golpe de nube a tierra (golpe R), la carga eléctrica negativa (electrones) del orden de Q ≈ 1 C almacenada dentro del canal del rayo desciende al suelo dentro de un intervalo de tiempo de impulso típico de τ = 100 μs. Esto corresponde a una corriente promedio que fluye dentro del canal del orden de J ≈ Q ⁄ τ = 10 kA. La energía espectral máxima se genera cerca de frecuencias de f ≈ 1 ⁄ τ = 10 kHz, [6] o en longitudes de onda de λ = c ⁄ f ≈ 30 km (donde c es la velocidad de la luz). En los golpes K típicos dentro de la nube, la carga eléctrica positiva del orden de Q ≈ 10 mC en la parte superior del canal y una cantidad equivalente de carga negativa en su parte inferior se neutralizan dentro de un intervalo de tiempo típico de τ ≈ 25 μs. Los valores correspondientes a la corriente eléctrica promedio, la frecuencia y la longitud de onda son J ≈ 400 A, f ≈ 40 kHz y λ ≈ 7,5 km. La energía de los golpes K es en general dos órdenes de magnitud más débil que la energía de los golpes R. [7]
Se puede estimar que la longitud típica de los canales de rayos es del orden de ℓ ≈1/4λ = 8 km para carreras R y ℓ ≈1/2λ = 4 km para carreras K. A menudo, un componente de corriente continua fluye entre carreras R sucesivas. [1] Su tiempo de "pulso" normalmente varía entre aproximadamente 10 y 150 ms, su corriente eléctrica es del orden de J ≈ 100 A, correspondiente a los números de Q ≈ 1–20 C, f ≈ 7–100 Hz y λ ≈ 3–40 milímetros. Tanto los trazos R como los K producen esféricos vistos como una forma de onda de impulso coherente dentro de un receptor de banda ancha sintonizado entre 1 y 100 kHz. La intensidad del campo eléctrico del impulso aumenta hasta un valor máximo en unos pocos microsegundos y luego disminuye como un oscilador amortiguado. [8] [9] La orientación del aumento de la intensidad del campo depende de si se trata de una descarga negativa o positiva.
La parte visible de un canal de rayos tiene una longitud típica de unos 5 km. Otra parte de longitud comparable puede estar oculta en la nube y tener una rama horizontal significativa. Evidentemente, la longitud de onda dominante de las ondas electromagnéticas de los impulsos R y K es mucho mayor que la longitud de sus canales. Por lo tanto, la física de la propagación de ondas electromagnéticas dentro del canal debe derivarse de la teoría de ondas completas, porque el concepto de rayo fracasa.
El canal de una carrera R puede considerarse como un alambre delgado aislado de longitud L y diámetro d en el que se ha almacenado carga eléctrica negativa. En términos de teoría de circuitos eléctricos , se puede adoptar un modelo de línea de transmisión simple con un capacitor , donde se almacena la carga, una resistencia del canal y una inductancia que simula las propiedades eléctricas del canal. [10] En el momento del contacto con la superficie terrestre perfectamente conductora, la carga desciende al suelo. Para cumplir las condiciones límite en la parte superior del cable (corriente eléctrica cero) y en el suelo (voltaje eléctrico cero), solo pueden salir modos de ondas resonantes estacionarias. El modo fundamental que transporta la carga eléctrica al suelo de manera más efectiva tiene, por tanto, una longitud de onda λ cuatro veces la longitud del canal L. En el caso de la carrera K, el límite inferior es el mismo que el límite superior. [7] [10] Por supuesto, esta imagen es válida sólo para el modo de onda 1 (antena λ/4) y quizás para el modo 2 (antena λ/2), porque estos modos aún no "sienten" la configuración retorcida de la onda. canal de relámpagos real. Los modos de orden superior contribuyen a las señales ruidosas incoherentes en el rango de frecuencia más alto (> 100 kHz).
Las esféricas se pueden simular aproximadamente mediante el campo de radiación electromagnética de una antena dipolo vertical de Hertz . La amplitud espectral máxima del esférico suele estar cerca de 5 kHz. Más allá de este máximo, la amplitud espectral disminuye 1/f si la superficie de la Tierra fuera perfectamente conductora. El efecto del suelo real es atenuar las frecuencias más altas con más fuerza que las frecuencias más bajas ( la onda terrestre de Sommerfeld ).
Los trazos R emiten la mayor parte de su energía dentro del rango ELF/VLF ( ELF = frecuencias extremadamente bajas, < 3 kHz; VLF = frecuencias muy bajas, 3–30 kHz). Estas ondas se reflejan y se atenúan en el suelo, así como dentro de la capa ionosférica D, a cerca de 70 km de altitud durante el día y a cerca de 90 km de altura durante la noche. La reflexión y atenuación en el suelo depende de la frecuencia, la distancia y la orografía . En el caso de la capa D ionosférica, depende además de manera complicada de la hora del día, la estación, la latitud y el campo geomagnético . La propagación VLF dentro de la guía de ondas Tierra-ionosfera puede describirse mediante la teoría de rayos y la teoría de ondas. [11] [12]
Cuando las distancias son inferiores a unos 500 km (dependiendo de la frecuencia), entonces la teoría de rayos es apropiada. La onda terrestre y la onda del primer salto (o del cielo) reflejadas en la capa D ionosférica interfieren entre sí.
A distancias superiores a unos 500 km hay que sumar las ondas celestes reflejadas varias veces en la ionosfera. Por tanto, la teoría modal es aquí más apropiada. El primer modo está menos atenuado dentro de la guía de ondas Tierra-ionosfera y, por tanto, domina en distancias superiores a unos 1.000 km.
La guía de ondas Tierra-ionosfera es dispersiva. Sus características de propagación se describen mediante una función de transferencia T(ρ, f) que depende principalmente de la distancia ρ y la frecuencia f. En la gama VLF, sólo el modo uno es importante en distancias superiores a unos 1.000 km. La menor atenuación de este modo se produce aproximadamente a 15 kHz. Por lo tanto, la guía de ondas Tierra-ionosfera se comporta como un filtro de paso de banda, seleccionando esta banda de una señal de banda ancha. La señal de 15 kHz domina a distancias superiores a unos 5.000 km. Para ondas ELF (< 3 kHz), la teoría de rayos deja de ser válida y sólo la teoría de modos es apropiada. Aquí comienza a dominar el modo cero y es responsable de la segunda ventana a distancias mayores.
Las ondas resonantes de este modo cero pueden excitarse en la cavidad de la guía de ondas Tierra-ionosfera, principalmente por los componentes de corriente continua del rayo que fluye entre dos rayos de retorno. Sus longitudes de onda son fracciones integrales de la circunferencia de la Tierra y, por lo tanto, sus frecuencias de resonancia pueden determinarse aproximadamente por f m ≃ mc /(2π a ) ≃ 7,5 m Hz (con m = 1, 2, ...; a el radio de la Tierra y c la velocidad de la luz). Estos modos resonantes con su frecuencia fundamental de f 1 ≃ 7,5 Hz se conocen como resonancias Schumann . [13] [14]
En todo el mundo se generan unos 100 rayos por segundo provocados por tormentas eléctricas situadas principalmente en las zonas continentales de latitudes bajas y medias. [15] [16] Para monitorear la actividad de las tormentas, los sféricos son el medio apropiado.
Las mediciones de resonancias Schumann en sólo unas pocas estaciones alrededor del mundo pueden monitorear bastante bien la actividad global de los rayos. [14] Se puede aplicar la propiedad dispersiva de la guía de ondas Tierra-ionosfera midiendo la velocidad de grupo de una señal esférica en diferentes frecuencias junto con su dirección de llegada. La diferencia de retardo de tiempo de grupo de las frecuencias vecinas en la banda VLF inferior es directamente proporcional a la distancia de la fuente. Dado que la atenuación de las ondas VLF es menor en la propagación de oeste a este y durante la noche, se puede observar actividad de tormentas hasta distancias de unos 10.000 km para las señales que llegan desde el oeste durante las condiciones nocturnas. Por lo demás, la autonomía de transmisión es del orden de 5.000 km. [17]
Para el rango regional (< 1.000 km), la forma habitual es la radiogoniometría y las mediciones del tiempo de llegada de una señal esférica observada simultáneamente en varias estaciones. [18] La presunción de tales mediciones es la concentración en un impulso individual. Si se miden simultáneamente varios impulsos, se produce una interferencia con una frecuencia de batido igual al tiempo medio inverso de secuencia de los impulsos.
La relación señal-ruido determina la sensibilidad y la sensibilidad de los sistemas de telecomunicaciones (por ejemplo, receptores de radio). Una señal analógica debe exceder claramente la amplitud del ruido para poder ser detectable. El ruido atmosférico es una de las fuentes más importantes para limitar la detección de señales de radio.
Las corrientes eléctricas constantes que se descargan en un canal de rayos provocan una serie de impulsos incoherentes en todo el rango de frecuencia, cuyas amplitudes disminuyen aproximadamente con la frecuencia inversa. En el rango ELF domina el ruido técnico de 50 a 60 Hz, el ruido natural de la magnetosfera, etc. En el rango VLF, se encuentran los impulsos coherentes de los golpes R y K, que aparecen entre el ruido de fondo. [19] Más allá de aproximadamente 100 kHz, la amplitud del ruido se vuelve cada vez más incoherente. Además, se superponen los ruidos técnicos de los motores eléctricos, los sistemas de encendido de los automóviles, etc. Finalmente, más allá de la banda de alta frecuencia (3-30 MHz) domina el ruido extraterrestre (ruido de origen galáctico, ruido solar). [2] [3]
El ruido atmosférico depende de la frecuencia, la ubicación y la hora del día y del año. Las mediciones mundiales de ese ruido están documentadas en informes del CCIR. [un] [20]