Una señal atmosférica de radio o esférico (a veces también escrito "esférico") es un impulso electromagnético de banda ancha que se produce como resultado de descargas de rayos atmosféricos naturales . Los esféricos pueden propagarse desde su fuente de rayos sin una atenuación importante en la guía de ondas Tierra-ionosfera , y pueden recibirse a miles de kilómetros de su fuente. En un gráfico de dominio temporal, un esférico puede aparecer como un único pico de alta amplitud en los datos de dominio temporal. En un espectrograma , un esférico aparece como una franja vertical (que refleja su banda ancha y su naturaleza impulsiva) que puede extenderse desde unos pocos kHz hasta varias decenas de kHz, dependiendo de las condiciones atmosféricas.
Las ondas esféricas recibidas desde una distancia de aproximadamente 2.000 kilómetros o más tienen sus frecuencias ligeramente desplazadas en el tiempo, lo que produce ajustes .
Cuando la energía electromagnética de una esfera escapa de la guía de ondas de la ionosfera terrestre y entra en la magnetosfera , se dispersa por el plasma cercano a la Tierra y forma una señal de silbido . Debido a que la fuente del silbido es un impulso (es decir, la esfera), un silbido puede interpretarse como la respuesta al impulso de la magnetosfera (para las condiciones en ese instante en particular).
Un canal de rayos con todas sus ramificaciones 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 tormentas eléctricas en el suelo. Las corrientes eléctricas transitorias durante los rayos de retorno (rayos R) o los rayos intranube (rayos K) son las principales fuentes de generación de radiación electromagnética de tipo impulso conocida como esfericas (a veces llamadas atmosféricas). [1] Si bien esta radiación impulsiva domina a frecuencias inferiores a unos 100 kHz (llamadas vagamente ondas largas), un componente de ruido continuo se vuelve cada vez más importante a frecuencias más altas. [2] [3] La propagación electromagnética de onda larga de las esfericas tiene lugar dentro de la guía de ondas Tierra-ionosfera entre la superficie de la Tierra y las capas D y E de la ionosfera . Los silbidos generados por los rayos pueden propagarse a la magnetosfera a lo largo de las líneas de fuerza geomagnéticas . [4] [5] Finalmente, los rayos atmosféricos superiores o sprites , que ocurren en altitudes mesosféricas, son fenómenos de ruptura eléctrica de corta duración, probablemente generados por eventos de rayos gigantes en el suelo.
En un típico rayo nube-suelo (rayo R), la carga eléctrica negativa (electrones) del orden de Q ≈ 1 C almacenada dentro del canal del rayo desciende hasta el suelo dentro de un intervalo de tiempo de impulso típico de τ = 100 μs. Esto corresponde a una corriente media que fluye dentro del canal del orden de J ≈ Q ⁄ τ = 10 kA. La máxima energía espectral 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 rayos K intranube típicos, 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 para la corriente eléctrica media, la frecuencia y la longitud de onda son J ≈ 400 A, f ≈ 40 kHz y λ ≈ 7,5 km. La energía de los rayos K es en general dos órdenes de magnitud más débil que la energía de los rayos R. [7]
Se puede estimar que la longitud típica de los canales de los rayos es del orden de ℓ ≈ 1/4 λ = 8 kmpara trazos R y ℓ ≈ 1/2 λ = 4 kmpara los golpes K. A menudo, un componente de corriente continua fluye entre golpes R sucesivos.[1]Su tiempo de "pulso" varía típicamente entre aproximadamente10–150 ms,su corriente eléctrica es del orden de J ≈ 100 A,correspondiente a los números de Q ≈ 1–20 C, f ≈ 7–100 Hzy λ ≈ 3–40 Mm.Tanto los golpes R como los golpes K producen esféricos vistos como una forma de onda de impulso coherente dentro de un receptor de banda ancha sintonizado entre 1–100 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 es 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 puede tener una ramificación horizontal significativa. Evidentemente, la longitud de onda dominante de las ondas electromagnéticas de los rayos R y K es mucho mayor que la longitud de sus canales. Por lo tanto, la física de la propagación de las ondas electromagnéticas dentro del canal debe derivarse de la teoría de onda completa, porque el concepto de rayo no es válido.
El canal de un trazo R puede considerarse como un cable 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 condensador , 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 de la Tierra perfectamente conductora, la carga se baja al suelo. Para cumplir las condiciones de contorno en la parte superior del cable (corriente eléctrica cero) y en el suelo (voltaje eléctrico cero), solo pueden existir modos de ondas resonantes estacionarias. El modo fundamental que transporta carga eléctrica al suelo de manera más efectiva, tiene una longitud de onda λ cuatro veces la longitud del canal L. En el caso del trazo 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 distorsionada del canal real del rayo. Los modos de orden superior contribuyen a las señales ruidosas incoherentes en el rango de frecuencias más altas (> 100 kHz).
Las ondas esféricas se pueden simular aproximadamente mediante el campo de radiación electromagnética de una antena dipolar hertziana vertical . La amplitud espectral máxima de las ondas esféricas suele estar cerca de los 5 kHz. Más allá de este máximo, la amplitud espectral disminuye en 1/f si la superficie de la Tierra fuera perfectamente conductora. El efecto del suelo real es atenuar las frecuencias más altas con mayor intensidad que las frecuencias más bajas ( onda de tierra de Sommerfeld ).
Las ondas R emiten la mayor parte de su energía en el rango ELF/VLF ( ELF = frecuencias extremadamente bajas, < 3 kHz; VLF = frecuencias muy bajas, 3–30 kHz). Estas ondas se reflejan y atenúan en el suelo, así como en la capa D ionosférica, cerca de los 70 km de altitud durante el día y cerca de los 90 km de altitud durante la noche. La reflexión y la atenuación en el suelo dependen de la frecuencia, la distancia y la orografía . En el caso de la capa D ionosférica, depende, además, de la hora del día, la estación, la latitud y el campo geomagnético de una manera complicada. La propagación VLF dentro de la guía de ondas Tierra-ionosfera se puede describir 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), la teoría de rayos es apropiada. La onda terrestre y la primera onda de salto (o onda del cielo) reflejada en la capa D de la ionosfera interfieren entre sí.
A distancias superiores a 500 km, se deben añadir las ondas ionosféricas reflejadas varias veces en la ionosfera. Por lo tanto, la teoría de modos es más apropiada en este caso. El primer modo es el menos atenuado dentro de la guía de ondas Tierra-ionosfera y, por lo tanto, predomina a distancias superiores a 1000 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 el rango VLF, solo el modo uno es importante a distancias mayores de aproximadamente 1000 km. La menor atenuación de este modo ocurre a aproximadamente 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 mayores de aproximadamente 5000 km. Para ondas ELF (< 3 kHz), la teoría de rayos deja de ser válida y solo es apropiada la teoría de modos. Aquí, el modo cero comienza a dominar y es responsable de la segunda ventana a distancias mayores.
Las ondas resonantes de este modo cero pueden ser excitadas en la cavidad de la guía de ondas Tierra-ionosfera, principalmente por los componentes de corriente continua de un rayo que fluye entre dos descargas de retorno. Sus longitudes de onda son fracciones integrales de la circunferencia de la Tierra, y sus frecuencias de resonancia pueden así determinarse aproximadamente por f m ≃ mc /(2π a ) ≃ 7,5 m Hz (siendo 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 de Schumann . [13] [14]
En todo el mundo se generan alrededor de 100 rayos por segundo provocados por tormentas eléctricas localizadas principalmente en áreas continentales en latitudes bajas y medias. [15] [16] Para monitorear la actividad de las tormentas eléctricas, las esfericas son el medio apropiado.
Las mediciones de resonancias Schumann en sólo unas pocas estaciones en todo el mundo pueden monitorear bastante bien la actividad global de rayos. [14] Se puede aplicar la propiedad dispersiva de la guía de ondas Tierra-ionosfera midiendo la velocidad de grupo de una señal esférica a diferentes frecuencias junto con su dirección de llegada. La diferencia de retardo de tiempo de grupo de 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 para la propagación de oeste a este y durante la noche, se puede observar actividad de tormentas eléctricas hasta distancias de aproximadamente 10.000 km para señales que llegan desde el oeste durante las condiciones nocturnas. De lo contrario, el rango de transmisión es del orden de 5.000 km. [17]
Para el rango regional (< 1.000 km), el método habitual es la radiogoniometría magnética, así como 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 pulsos, se produce una interferencia con una frecuencia de batido igual al tiempo de secuencia promedio inverso de los pulsos.
La relación señal-ruido determina la sensibilidad y la sensibilidad de los sistemas de telecomunicaciones (por ejemplo, los receptores de radio). Una señal analógica debe superar claramente la amplitud del ruido para ser detectable. El ruido atmosférico es una de las fuentes más importantes de limitación de la detección de señales de radio.
Las corrientes eléctricas de descarga constantes en el canal de descarga de un rayo provocan una serie de impulsos incoherentes en todo el rango de frecuencias, cuya amplitud disminuye aproximadamente con la frecuencia inversa. En el rango ELF predominan los ruidos técnicos de 50 a 60 Hz, ruidos naturales de la magnetosfera, etc. En el rango VLF, aparecen los impulsos coherentes de los rayos R y K, que surgen del ruido de fondo. [19] Más allá de los 100 kHz, la amplitud del ruido se vuelve cada vez más incoherente. Además, se superponen ruidos técnicos de motores eléctricos, sistemas de encendido de automóviles, etc. Finalmente, más allá de la banda de alta frecuencia (3–30 MHz) predominan los ruidos extraterrestres (ruidos 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 los informes del CCIR. [a] [20]