ITU-R P 532-1 SPANISH-1992 Ionospheric Effects and Operational Considerations Associated with Artificial Modification of the Ionosphere and the Radio-Wave Channel《与电离层和无线电波信道的人工修正有.pdf

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1、 Rec. UIT-R P.532-1 1 RECOMENDACIN UIT-R P.532-1*EFECTOS IONOSFRICOS Y CONSIDERACIONES DE EXPLOTACIN EN RELACIN CON LA MODIFICACIN ARTIFICIAL DE LA IONOSFERA Y DEL CANAL DE ONDAS RADIOELCTRICAS (1978-1992) Rc. 532-1 La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT, considerando a) que la aplicacin de po

2、tencia de radiofrecuencia al utilizar transmisores terrenales (o a bordo de vehculos espaciales) puede producir modificaciones artificiales de la ionosfera y del canal de ondas radioelctricas; b) que la modificacin ionosfrica, especialmente en la regin F, puede producirse como resultado de una eleva

3、da densidad de flujo de potencia en la ionosfera en la gama de frecuencias 2-12 MHz aproximadamente, en particular con ngulos de radiacin elevados y para frecuencias apenas por debajo de las MUF bsicas de las capas interesadas, con incidencia casi vertical; y que tales modificaciones de la ionosfera

4、 pueden permitir la propagacin a frecuencias de hasta unos 400 MHz y en distancias de hasta 4 000 km; c) que desde hace largo tiempo se reconoce que puede producirse transmodulacin en ondas kilomtricas y hectomtricas cuando es elevada la densidad de flujo de potencia de las seales en la ionosfera; d

5、) que si las administraciones siguen permitiendo que la potencia de los transmisores aumente, puede producirse una alteracin significativa de la ionosfera, lo que dara como resultado una posible degradacin de la recepcin en los servicios que utilizan la ionosfera como medio de propagacin y en los se

6、rvicios de ondas mtricas que emplean la propagacin por ondas de superficie; e) que la ionosfera puede ser modificada por inyeccin de reactivos qumicos, constituyentes fotoionizables, partculas energticas y otras especies que modificarn la distribucin natural y el carcter del medio; f) que los proces

7、os reactivos asociados con los lanzamientos de cohetes pueden introducir modificaciones involuntarias o no previstas; g) que la modificacin artificial del medio puede introducir nuevos modos transitorios de propagacin, creando la posibilidad de aumentar (o disminuir) la cobertura ms all de lo establ

8、ecido por los mtodos normalizados de prediccin de la propagacin de ondas radioelctricas, recomienda que en la planificacin y explotacin de los sistemas radioelctricos que utilizan la ionosfera, se tengan en cuenta los aspectos siguientes: 1. para determinar las modificaciones provocadas en la ionosf

9、era por las transmisiones de ondas radioelctricas de alta potencia propagadas ionosfricamente, debe utilizarse la informacin que figura en el anexo 1; 2. para determinar los efectos de la modificacin ionosfrica en las transmisiones por ondas radioelctricas (transmodulacin), deben utilizarse las frmu

10、las que figuran en el anexo 2; 3. para determinar las modificaciones de la ionosfera inducidas por las transmisiones transionosfricas por ondas radioelctricas, debe utilizarse la informacin que figura en el anexo 3; 4. para determinar las modificaciones de la ionosfera que resultan de la inyeccin de

11、 agentes qumicos, debe utilizarse la informacin que figura en el anexo 4, recomienda adems 5. que se preste atencin a las densidades de flujo de potencia excesivas a las alturas ionosfricas para las frecuencias de hasta unos 12 MHz, y se tomen medidas para reducirlas al mnimo; 6. que, para los siste

12、mas de comunicacin operacionales, se desaliente la modificacin intencional de la ionosfera debida a los efectos perjudiciales producidos en los servicios de otros usuarios. _ *La Comisin de Estudio 3 de Radiocomunicaciones efectu modificaciones de redaccin en esta Recomendacin en 2000 de conformidad

13、 con la Resolucin UIT-R 44. 2 Rec. UIT-R P.532-1 ANEXO 1 Modificacin de la ionosfera mediante transmisiones radioelctricas de alta potencia con base en Tierra 1. Introduccin La modificacin del plasma ionosfrico por transmisiones radioelctricas de alta potencia se divide en un calentamiento ionosfric

14、o hmico, proceso no lineal pero clsico, y en la generacin de inestabilidades paramtricas mediante procesos de interaccin de ondas no lineales. La mayora de las experiencias sobre modificacin de la ionosfera se han realizado en ondas decamtricas, y muy a menudo se trata de cambios producidos en la al

15、ta ionosfera (150-400 km) utilizando transmisores construidos especialmente que operan en frecuencias prximas a las frecuencias crticas de la regin F. Si la frecuencia modificadora es inferior a la frecuencia crtica, se habla de modificacin sobredensa; si es superior se dice que la modificacin es in

16、fradensa. La ionosfera puede ser apreciablemente modificada por una emisin radioelctrica de alta potencia oblicua a frecuencias considerablemente superiores a la frecuencia crtica de la regin F de la ionosfera. Los transmisores que funcionan en la gama de ondas mtricas a decimtricas originan modific

17、aciones en todas las regiones de la ionosfera. La regin modificada resultante puede tener un efecto importante en las seales radioelctricas de comunicaciones que la atraviesan. 2. Teora del calentamiento hmico Los trabajos tericos parecen indicar que el calentamiento ionosfrico por disipacin hmica d

18、ebe producir cambios considerables en la temperatura electrnica y, como consecuencia, en la densidad electrnica y otros parmetros. Muchos fenmenos no lineales se deben a que la frecuencia de las colisiones depende de la temperatura de los electrones. La teora simplificada muestra cmo puede producirs

19、e el calentamiento hmico. Se considera que una onda con campo elctrico E y una frecuencia angular , pasa a travs de una capa de plasma ionosfrico con una frecuencia de colisin efectiva entre electrones e iones o partculas neutras. Este campo acta sobre los electrones de masa m y carga e y los aceler

20、a. Sin embargo, las colisiones los retardan y la energa se extrae de la onda, lo que produce un aumento de la temperatura de los electrones. Aunque los electrones se calientan, durante las colisiones slo transfieren a los iones una pequea parte de su excedente de energa debido a que la masa del elec

21、trn es mucho ms pequea que la del in o de la partcula neutra. En la regin F, la frecuencia de colisin entre electrones e iones es 103/s, la prdida de energa fraccional por colisin es 104, y la constante de tiempo para la prdida de energa es, pues de unos 10 s. Esta reducida velocidad de prdidas perm

22、ite un calentamiento apreciable de los electrones. El calentamiento de la regin E no es tan fcil. En este caso la frecuencia de colisin entre electrones y partculas neutras es 2 105/s, la prdida de energa fraccional por colisin es 5 103y, consiguientemente, la constante de tiempo para la prdida de e

23、nerga es slo de 1 ms aproximadamente. Se produce una intensa absorcin de la onda radioelctrica incidente en una regin en que la frecuencia del plasma electrnico se aproxima a la frecuencia radioelctrica. Esto se debe a que la onda queda retardada cerca de esta resonancia natural, y los electrones ti

24、enen mayor oportunidad de chocar con las partculas pesadas. El campo elctrico necesario para causar una gran perturbacin trmica de la temperatura del plasma de la ionosfera y para vara desde 3 104(mV/m) en las regiones D y E hasta unos 104(mV/m) en la regin F. es la frecuencia de la onda perturbador

25、a (Hz). Tales campos implican potencias radiadas istropas equivalentes de unos 100 MW. 3. Teora de la inestabilidad paramtrica La inestabilidad paramtrica del plasma de la onda generalmente entraa una interaccin de tres ondas. En el contexto de la modificacin ionosfrica, una onda decamtrica electrom

26、agntica de alta potencia proporciona el campo inicial de excitacin o bombeo cuya energa pasa a una onda de plasma de frecuencia ms baja y a una onda acstica de iones de frecuencia tambin ms baja. Rec. UIT-R P.532-1 3 El mecanismo no lineal a que se deben la mayora de las inestabilidades paramtricas

27、en la ionosfera es la fuerza de presin trmica. Las perturbaciones de la temperatura de los electrones causadas por la ondulotermia provocan una fuerza de presin trmica adicional en la ecuacin del movimiento de los electrones y conducen a la generacin de irregularidades ionosfricas alineadas con el c

28、ampo. 4. Efectos de la modificacin A continuacin se describen algunos de los mltiples efectos de la modificacin causada por las ondas decamtricas (y de otras frecuencias) radioelctricas de calentamiento. En altitudes inferiores a 200 km, los electrones chocan principalmente con partculas neutras, la

29、 frecuencia de colisin aumenta con la temperatura y las ondas radioelctricas fuertes quedan ms absorbidas que las dbiles. Por encima de 200 km, altura en la que los electrones chocan fundamentalmente con iones, la frecuencia de colisin disminuye con la temperatura y las ondas fuertes sufren menos ab

30、sorcin que las ondas dbiles. Si el calentamiento se mantiene durante suficiente tiempo, se producen perturbaciones en la densidad de electrones. En altitudes inferiores a unos 200 km se origina un aumento de la densidad de electrones. En altitudes superiores, en la regin F, las temperaturas de elect

31、rones elevadas corresponden a un aumento de la presin que hace que el plasma salga de la regin caliente a lo largo de la lnea de campo magntico. La energa electromagntica se centra, pues, en la regin de densidad de electrones reducida, lo que da lugar a mayor calentamiento y expansin. Se producen ir

32、regularidades en gran escala en la densidad de electrones de la regin F, a lo largo del campo geomagntico y con dimensiones transversales de 1 km aproximadamente. Un resultado de este proceso trmico de autoenfoque es la produccin de una capa F difusa artificial. Uno de los efectos imprevistos de los

33、 primeros experimentos sobre modificacin de la ionosfera en ondas decamtricas fue la generacin de pequeas irregularidades repartidas a lo largo de las lneas de fuerza del campo magntico (aproximadamente 1 m), que dan lugar a la retrodispersin de las ondas mtricas y decimtricas. Estas irregularidades

34、 se generan probablemente a unos 200 m por debajo de la altura de la reflexin de la onda de calentamiento en ondas decamtricas, donde su efecto de calentamiento es mayor. Para potencias transmitidas superiores a cierto umbral, se ha observado que las seales recibidas disminuyen al aumentar la p.r.a.

35、 Se hall tambin que en el campo de una onda de alta potencia incidente oblicuamente con una frecuencia cercana a la MUF de la capa F2 se produce una modificacin en la ionosfera normal que puede tener un efecto considerable en las caractersticas de las seales radioelctricas que atraviesan esta pertur

36、bacin. Adems de la modificacin de la ionosfera superior por las ondas decamtricas, es posible generar ondas hectokilomtricas y miriamtricas como resultado de la modificacin de la ionosfera inferior al utilizar ondas decamtricas de alta potencia por impulsos. La prueba de que se generan ondas hectoki

37、lomtricas/miriamtricas debido aparentemente a emisiones de radiodifusin en ondas kilomtricas y hectomtricas ha sido observada en altas latitudes. Estas seales pueden calentar la regin D o E auroral, modulando el chorro electrnico auroral que emite entonces seales en ondas hectokilomtricas y miriamtr

38、icas. Los armnicos integrales de las frecuencias de modulacin en ondas hectokilomtricas pueden producirse no linealmente en las regiones D y E aurorales. La inyeccin controlada de seales miriamtricas a partir de transmisores basados en tierra origina la precipitacin de electrones desde los cinturone

39、s de radiacin, lo que aumenta la ionizacin en las alturas ionosfricas. La precipitacin electrnica que se produce naturalmente vara en gran medida desde niveles muy inferiores hasta niveles muy superiores a los observados en la precipitacin producida artificialmente. 5. Dispersin de las seales radioe

40、lctricas a causa de irregularidades inducidas artificialmente Con una p.i.r.e. de 0,5 MW o mayor, las irregularidades en gran escala y en pequea escala de la densidad de electrones, repartidas a lo largo de las lneas de fuerza del campo magntico terrestre, se manifiestan unos segundos despus de habe

41、rse conectado el transmisor, como resultado del calentamiento hmico y de la aparicin de inestabilidades paramtricas y de ondas de plasma. Para las seales radioelctricas que atraviesen la regin perturbada, la consecuencia es que se provoca un aumento de la profundidad y la velocidad de los desvanecim

42、ientos, tanto sobre los trayectos que tienen ambos terminales en el suelo, como sobre los trayectos Tierra-espacio. Adems, a causa de las irregularidades repartidas a lo largo de las lneas de fuerza del campo magntico terrestre, aparece en la ionosfera, a altitudes de 250 a 300 km, un efecto de refl

43、ector comparable al de un radar de gran seccin transversal ( 105a 109m2). Estos efectos se originan cuando la frecuencia del transmisor que produce el calentamiento es inferior a la frecuencia crtica de la regin F ( 12 MHz), pero coincide con la frecuencia del plasma a una cierta altitud dentro de l

44、a ionosfera. 4 Rec. UIT-R P.532-1 Las irregularidades repartidas a lo largo de las lneas de fuerza del campo magntico tienen propiedades de dispersin que han sido utilizadas en las transmisiones telefnicas, telegrficas, de facsmil y de impulsos entre terminales terrestres separados por distancias de

45、 miles de kilmetros, empleando frecuencias que oscilan entre las correspondientes a las ondas decamtricas y a las decimtricas que, de no ser as, no habran podido utilizarse en estos trayectos. En la regin F la dispersin est asociada, en un grado bastante elevado, a la directividad. Por eso, los punt

46、os de la Tierra en los que se reciben las seales mediante este mecanismo de dispersin dependen en parte de la posicin geomagntica y de la altitud de la regin ionosfrica modificada. En general, las seales pueden recibirse en una zona situada en el lado ecuatorial de la regin modificada, que tiene una

47、 gran extensin en la direccin Este-Oeste, pudiendo alcanzar hasta unos 4 000 km, pero que slo tiene de 200 a 500 km en la direccin Norte-Sur. Puede obtenerse tambin una regin de gran dispersin a una altitud de casi 110 km en la regin E cuando el transmisor que produce el calentamiento funciona en fr

48、ecuencias inferiores a la frecuencia crtica de dicha regin. Se han llevado a cabo menos observaciones de la dispersin en la regin E durante la modificacin, pero los escasos datos disponibles parecen indicar que la dispersin en esa regin es menos sensible a la directividad que en la regin F y que, por consiguiente, pueden recibirse las seales sobre el suelo en zonas que tengan una extensin Norte-Sur mayor que la que se ha mencionado en el caso de la regin F. Las pruebas obtenidas hasta ahora parecen indicar la posibilidad de que aume