El 12 de diciembre de 1901, Marconi consiguió realizar de forma satisfactoria la primera comunicación radiotelegráfica transatlántica cubriendo una distancia de 3.000 Km entre Gales y Terranova, en el extremo oriental de Canada. Unos años antes, Herz había comprobado experimentalmente la existencia de ondas electromagnéticas, cuya naturaleza era similar a la de la luz. Por este motivo el éxito de Marconi resultaba inexplicable considerando que las ondas electromagnéticos deben propagarse en trayectos rectilíneos y que la esfericidad de la tierra impedía la visibilidad directa. De hecho el éxito inicial fue recibido con cierto escepticismo por la comunidad científica, que en parte dudaba de su veracidad. En el año 1902 otros experimentos realizados por Marconi pusieron de relieve que las comunicaciones a grandes distancias sufrían grandes variaciones si se realizaban durante el día o la noche. Así, experimentos de recepción a bordo de un barco desde una estación base en tierra mostraron que a distancias superiores a 1.000 Km las comunicaciones fallaban totalmente durante el día, mientras que durante la noche era posible la recepción a distancias superiores a los 3.000 Km. Marconi estaba más interesado en las posibilidades de la explotación comercial de las comunicaciones radiotelegráficas a larga distancia que en la explicación de los fenómenos responsables de éstas, por lo que se centró su actividad en la aplicación práctica de estos hechos más que en la justificación teórica de los mismos.

En el mismo año 1902, Kennelly y Heaviside, de forma independiente, postularon la existencia de una capa ionizada en la parte alta de la atmósfera como responsable de la reflexión de las ondas electromagnéticas, explicando, de este modo, el mecanismo de propagación a gr4andes distancias.

     El primer experimento para realizar mediciones exactas de la ionosfera lo llevaron a cabo Appleton y Barnett en Londres en 1925. Consistía en emitir una señal  de onda continua y de fase variable con el tiempo. En un receptor próximo se recibía la interferencia de la onda directa y reflejada . A partir de la formación de interferencias constructivas y destructivas les fue posible determinar la altura de la capa ionizada. A esta capa le llamaron capa eléctrica, o abreviadamente capa E. Estudios posteriores revelaron la existencia de capas inferiores y superiores a la capa E, a las que manteniendo el orden alfabético se las denominó D y F respectivamente.

     Investigaciones más profundas demostraron que la ionosfera no es un medio estratificado, sino que presenta variaciones continuas con la densidad de electrones ionizados en función de la altura. Por razones históricas se mantiene la nomenclatura de las capas D, E y F designando a cada una de ellas regiones de la ionosfera de altitud creciente. Bajo ciertas condiciones la capa F se desdobla en dos capas, la capa F₁ y la capa F₂.

     La causa primordial de ionización de la ionosfera es la radiación solar en la región del espectro de los rayos x y ultravioletas. También contribuyen a la ionización la incidencia de las partículas cargadas (protones y electrones) de origen solar y los rayos cósmicos galácticos. La creación de iones depende de la energía de las radiaciones y de la densidad de moléculas. Para alturas elevadas la energía de  la radiación incidente es elevada pero la densidad de moléculas  baja, mientras que para alturas más bajas la densidad de moléculas es alta pero la energía de las radiaciones ha sido absorbida en gran parte, de modo que la densidad de ionización máxima se produce en un punto intermedio. En la figura 1.1 se representa la variación de la densidad de moléculas ionizables en función de la altura.

Figura 1.1  Densidad de moléculas ionizable vs. altura.

     En la figura 1.2 se puede relaciona la energía proveniente de la radiación solar y los cuerpos celestes en función de la altura sobre la superficie terrestre.

Figura 1.2  Energía de ionización vs. altura.

 

         En la figura 1.3 se puede observa la variación de la densidad de ionización de la Ionosfera en función de la altura. Como se puede ver, existe una densidad máxima de ionización que se alcanza a una altura media. El valor de dicha ionización máxima varía con la estación, con el número de manchas solares y con la hora del día.

 

Figura 1.3  Energía de ionización vs. altura.

 

Ya que la causa principal de ionización es la actividad solar, el comportamiento de la ionosfera está muy influido por los ciclos solares observados desde la tierra. Los periodos de éstos ciclos son:

·        Diurno.

·        Anual.

·        De 11 años.

En la figura 1.4 se representa la variación de la densidad de ionización típica en la ionosfera en función de la altura .

 

·        Capa D

 

La capa D, segunda en ser modelada, se extiende entre los 50 y 90 Km de altura. Su densidad de ionización aumenta rápidamente con la altura y presenta grandes variaciones entre el día y la noche. De hecho, por la noche prácticamente desaparece, por lo que habitualmente se considera que la capa D es una capa diurna.

 ·        Capa E

La capa E o capa Kennelly-Heaviside, primera en ser descrita, comprende una zona intermedia que abarca desde 90 a 130 Km de altura. Su comportamiento está muy ligado a los ciclos solares. A pesar de sufrir grandes variaciones de ionización conserva un nivel apreciable durante la noche. Alcanza el máximo de ionización durante el mediodía en los meses de verano con niveles en torno a 10¹¹ e^-/m³. En ciertas ocasiones aparece una ionización anómala en la capa E denominada capa E esporádica, (E_S). En zonas templadas la capa E_S es bastante frecuente en verano, alcanzando densidades iónicas varias veces superiores a las de la capa E circundante.

  ·        Capa F

La capa F se extiende hacia arriba a partir de los 130 Km de altitud. Debido al distinto comportamiento de la capa superior e inferior, ésta se puede dividir en la capa F₁ entre los 130 y 210 Km y la capa F₂ a partir de los 210 Km. La capa F₁ desaparece durante la noche mientras que la capa F₂ mantiene niveles de ionización relativamente constantes entre el día y la noche.

 

En la figura 1.4 se representa gráficamente la altura de las capas en función las horas del día y de la estación.

Figura 1.4  Altura de las capas vs. hora y estación.

 

La variación de la altura de las capas según la temperatura y en conclusión la hora solar se muestra en la figura 1.5

Figura 1.5  Altura de las capas vs. hora y estación.

 

 

La propagación de ondas electromagnéticas en la ionosfera se puede modelar a partir de la propagación de pasmas. Un plasma es una región del espacio, con la permitividad e y la permeabilidad magnética m del vacío, que contiene electrones libres. Un modelo simplificado es el del plasma frío, en el que se desprecia el movimiento de los electrones por causas térmicas. Un análisis más acorde con la realidad es considerar la presencia de un campo magnético estático, de la misma manera que en la ionosfera existe el campo magnético terrestre.

Considérense en primer lugar las fuerzas a las que se encuentra sometido un electrón inmerso en le campo electromagnético de una onda plana. Éste experimentará una fuerza debida al campo eléctrico y otra al campo magnético. A continuación se va a realizar un breve análisis de las fuerzas puestas en juego.

Donde:

1.      e^- =1.59 10^-19 C.

2.      c = 3 10⁸ m/s.

3.      v es la velocidad de los electrones en movimiento.

Es importante resaltar que la fuerza experimentada por el electrón debida al campo magnético  de la onda plana es despreciable frente a la fuerza producida por el campo eléctrico.

La ecuación del movimiento de un electrón en un plasma frío, en el que se propaga una onda plana y existe un campo magnético estático  está dada por (1.2)

Donde se ha considerado también un término de pérdidas por colisión entre electrones siendo n la velocidad de colisiones. La presencia del campo magnético estático dificulta también el análisis, por lo que se va a omitir en los desarrollos matemáticos, si bien esto no significa que el efecto del campo magnético terrestre sobre la propagación ionosférica sea despreciable. Suponiendo variaciones sinusoidales de la forma , de la anterior expresión se deduce (1.3).

            Si existe una densidad de N se creará una densidad de corriente de valor (1.4)

asociada al movimiento de electrones en la dirección asociada a , y a partir de las ecuaciones de Maxwell (1.5)

se puede llegar a (1.6)

Es posible definir eléctrica relativa y la conductividad del plasma en (1.7)

en ausencia de colisiones entre los iones (n=0) las expresiones anteriores se pueden simplificar como (1.8).

donde se ha introducido la frecuencia de resonancia del plasma f_p, también llamada frecuencia crítica.

Al sustituir las constantes por su valor se obtiene la relación (1.9)

Las unidades resultantes pertenecen al  si N se utiliza en  .

     Una onda plana propagándose a través de la ionosfera tiene una constante de fase de . En el caso en que la frecuencia sea menor a la frecuencia crítica f_p, la constante de fase será imaginaria y por lo tanto la amplitud de la onda se irá atenuando exponencialmente a lo largo de la ionosfera, por el contrario si la frecuencia de la señal es superior a la frecuencia crítica la constante de fase será real y por consiguiente la amplitud no sufrirá atenuación, (suponiendo n=0).

Si se considera la existencia de colisiones en la ionosfera, la constante dieléctrica e^* tiene una parte imaginaria no nula, por lo que el medio presentará atenuación. En este caso, la constante de propagación en el medio g, puede escribirse como (1.10)

Si se asume al hipótesis de que la ionosfera se comporta como un buen dieléctrico (1.11) se puede obtener una estimación de la atenuación introducida por la propagación

ionosférica (1.12). Si además, se supone que el índice de refracción n del medio ionosférico en

el que incide una onda plana es próximo a la unidad y que la frecuencia de la onda es mucho menor que la frecuencia de las colisiones , se puede aproximar la expresión de la atenuación a (1.13)

 

     Ejemplo 1:  En una región de la ionosfera a 75 Km de altura (capa D) se conoce la frecuencia de colisión iónica n=2·10⁶ s^-1. La densidad de ionización máxima en esa capa para alturas de 80 y 90 Km es de N = 10⁹, valor que se alcanza durante el mediodía. Para esa densidad de ionización, la frecuencia crítica es de . Si se utiliza en un radioenlace una señal portadora de 1 MHz, la atenuación producida en el trayecto ionosférico es de  mientras que si la portadora es transmitida a 10 MHz la atenuación sufrida por la onda sería . En la figura 1.6 se presenta la variación de la atenuación vs. la frecuencia de la onda incidente. La capa D  produce durante el día una fuerte atenuación a señales que intenten propagarse a través de la ionosfera, con frecuencias comprendidas en la banda de MF, a pesar de tratarse de frecuencias superiores a la frecuencia de resonancia.

 

Durante la noche, los iones prácticamente desaparecen en la capa D, n » 0, por lo que la atenuación es despreciable. En el resto de las capas la frecuencia de colisión es mucho menor, debido a que la atmósfera es más tenue, por lo que la atenuación es prácticamente despreciable.