Propagacion del espectro en el planeta

Propagación en el Espacio Real

Fuente: (http://www.kalipedia.com/tecnologia/tema/comunicaciones/transmision-ondas-radio.html?x=20070821klpinginf_50.Kes&ap=4). 

Figura Las ondas electromagnéticas se pueden propagar en el espacio libre

Para frecuencias menores a 30 Khz, existe un mecanismo de propagación para guiaondas tierra ionosfera.

Para frecuencias desde 10 Khz y hasta 3 Mhz el principal mecanismo de propagación utilizado es la onda de superficie.

Para frecuencias por encima de 3 Mhz (1 Mhz) y hasta unos 30 Mhz el mecanismo fundamentalmente utilizado es la onda ionosferica.

Por Reflexión Ionosferica se consiguen enlaces de hasta 400 Km en un solo salto, y mas por múltiples reflexiones ionosfera tierra (mar).

Para frecuencias por encima de de unos 30 Mhz, el principal mecanismo es la onda espacial.

Debido a la curvatura de la superficie terrestre, a partir del horizonte el mecanismo posible de propagación son las ondas difractadas, que a estas frecuencias tienen alcances muy pequeños.

A partir de 40 a 50 Mhz la ionosfera no refleja las ondas electromagnéticas, por lo que puede utilizarse para comunicaciones extraterrestres.

Calculando el radio efectivo de la tierra

Campo Resultante mostrando la distribución de probabilidad del gradiente de Refractividad

Debido a la refracción de la señal, la onda de radio no viaja en una línea recta. La curvatura del haz es dependiente de a dirección del gradiente de refractividad que experimenta en cada punto del haz a lo largo de su trayectoria. Si uno promedia la gradiente de cada punto sobre el trayecto, se puede asumir que el rayo describe una trayectoria curva. De esta manera el rayo puede considerarse como que viaja sobre un arco de radio r. Este radio es inversamente proporcional al gradiente de índice de refracción promedio sobre la trayectoria, por lo tanto se puede permitir la siguiente aproximación:

1/r= dn/dh

Como el haz de microondas no es una línea recta, la superficie de la tierra sobre la cual viaja este no es plana. Igualmente si viajara sobre una superficie plana tal como la de la mar es necesario tomar en cuenta la curvatura de la tierra; la tierra no es redonda es una esferoide ovalada. Sin embargo para aproximaciones de cálculo puede aproximarse a un arco, con un radio promedio Ro= 6370 Km.

Una curva es ficticiamente hecha "recta" y a la otra ficticiamente se le ha dado una curvatura extra. Un análisis del factor K debería ser usado para determinar la claridad relativa y no para predecir la curvatura del haz en términos del ángulo de arribo a la antena.

Un factor K unitario significa que una de las curvas ya es recta; por lo tanto, se refiriría a una señal de radio viajando en una trayectoria recta sobre la tierra curvada (con un radio igual al radio real terrestre).

Calculando el radio ficticio de la tierra

Imagen que muestra la forma de calcular Radio de la Tierra

Si el trayecto es casi horizontal, ϕ se aproxima a cero. Como, por otra parte, n se aproxima mucho 

a 1, la ecuación (1) puede simplificarse: 

1/p = - dn/dh

Como se verá, si el gradiente vertical es constante, las trayectorias serán arcos de círculo. 

Si el perfil de altura del coíndice de refracción es lineal, es decir, si el gradiente del coíndice es 

constante a lo largo del trayecto del rayo, es posible efectuar una transformación que permita 

considerar que la propagación es rectilínea. La transformación consiste en considerar una Tierra 

ficticia de un radio efectivo Re

= k a, con: 

1/ka= 1/a + dn/dh = 1/Re

siendo a el radio real de la Tierra y k el factor del radio efectivo (factor k). Con esta transformación 

geométrica, las trayectorias del rayo son lineales independientemente del ángulo de elevación. 

En sentido estricto, el gradiente del coíndice es constante únicamente si el trayecto es horizontal. En 

la práctica, con alturas inferiores a 1000 m, el modelo exponencial para el perfil del índice de 

refracción medio (véase la Recomendación UIT-R P.453) puede aproximarse por otro lineal. El 

factor k correspondiente es k = 4/3. 

Efectos por la curvatura de la tierra

Curvatura de la Tierra

Un haz radioeléctrico que atraviesa la porción inferior (no ionizada) de la atmósfera, experimenta curvaturas debidas al gradiente del índice de refracción. Como el índice de refracción varía principalmente con la altitud, por lo general sólo se considera su gradiente vertical. Por ello, la curvatura en un punto está contenida en el plano vertical, y se expresa por:

Esta curvatura del rayo se considera positiva cuando se dirige hacia la superficie de la Tierra. Este fenómeno es prácticamente independiente de la frecuencia cuando el gradiente no varía significativamente a lo largo de una distancia igual a la longitud de onda.

Normalmente este radio modificado se suele expresar como un factor k que multiplica al radio de la tierra:

                                    a’ = ka. 

Para los valores de atmósfera estándar que recomienda la UIT-R, y considerando:

                                    a = 6370 km 

Se llega a un valor de radio modificado de la tierra igual a: 

                                    a’ = 8490 km,


Que equivale a un factor de modificación del radio de la Tierra igual a:

                                        k=4/3. 

Factor K


El grado y direccion de la curvatura de la tierra se puede definir por un factor equivalente al de la curvatura de la tierra, este factor viene conocido con el  nombre de "factor K"

K es el factor por el que se debe modificar el radio de la tierra para “enderezar” la curvatura de la onda electromagnetica.

Comúnmente los radioenlaces, incorrectamente sugieren que la efectividad de las comunicaciones esta limitada por el horizonte óptico (K=1). Pero, la mayoría de los radioenlaces no están restringidos a la propagación en línea de vista. En realidad, frecuentemente se pueden lograr comunicaciones más allá del horizonte óptico.

Curvatura del rayo para varios Factores K

También el Factor K puede ser directamente relacionado al radio de dos esferas. La primera esfera es la Tierra (Ro= 3670 Km) y la segunda esfera es la formada por la curvatura del rayo con su centro coincidiendo con el centro de la Tierra. Entonces, el factor K resulta como una relación de dos radios, el radio real de la Tierra Ro y el radio de la curvatura del haz Re. K es frecuentemente llamado factor del "radio efectivo o real de la Tierra" pero trabaja en conjunto con el "radio ficticio de la tierra".

Radio Efectivo de la Tierra (Real)

Campo Resultante mostrando la distribución de probabilidad del gradiente de Refractividad

Debido a la refracción de la señal, la onda de radio no viaja en una línea recta. La curvatura del haz es dependiente de a dirección del gradiente de refractividad que experimenta en cada punto del haz a lo largo de su trayectoria.

Radio Ficticio de la tierra

Imagen que muestra la forma de calcular Radio de la Tierra

Si el trayecto es casi horizontal, ϕ se aproxima a cero. Como, por otra parte, n se aproxima mucho a 1, la ecuación (1) puede simplificarse: 

1/p = - dn/dh

Como se verá, si el gradiente vertical es constante, las trayectorias serán arcos de círculo. 

Si el perfil de altura del coíndice de refracción es lineal, es decir, si el gradiente del coíndice es constante a lo largo del trayecto del rayo, es posible efectuar una transformación que permita considerar que la propagación es rectilínea. 

La transformación consiste en considerar una Tierra ficticia de un radio efectivo Re = k a, con: 

1/ka= 1/a + dn/dh = 1/Re

siendo a el radio real de la Tierra y k el factor del radio efectivo (factor k). Con esta transformación 

geométrica, las trayectorias del rayo son lineales independientemente del ángulo de elevación. 

En sentido estricto, el gradiente del coíndice es constante únicamente si el trayecto es horizontal. En 

la práctica, con alturas inferiores a 1000 m, el modelo exponencial para el perfil del índice de 

refracción medio (véase la Recomendación UIT-R P.453) puede aproximarse por otro lineal. El 

factor k correspondiente es k = 4/3. 

Una curva es ficticiamente hecha "recta" y a la otra ficticiamente se le ha dado una curvatura extra. Un análisis del factor K debería ser usado para determinar la claridad relativa y no para predecir la curvatura del haz en términos del ángulo de arribo a la antena.

Un factor K unitario significa que una de las curvas ya es recta; por lo tanto, se refiriría a una señal de radio viajando en una trayectoria recta sobre la tierra curvada (con un radio igual al radio real terrestre).

Refraccion

Es el cambio de dirección de un rayo conforme pasa oblicuamente, de un medio a otro, con diferentes velocidades de propagación.

Donde c = velocidad de la luz en el vacío en m/s. v = velocidad de la luz en un determinado material en m/s.

El índice de refracción también es igual a la raíz cuadrada de la permitividad relativa del medio o constante dieléctrica er.

El índice de refracción no es más que la relación de la velocidad de propagación de la luz en el espacio vacío entre la velocidad de propagación de la luz en un determinado material.

Factores que influyen en la refraccion atmosferica:

La humedad, presión y la temperatura de la atmósfera disminuyen al aumentar la altura sobre el nivel del mar, al igual que el índice de refracción de la atmósfera reduce.

Imagen que muestra el efecto de la refraccion entre capas de mas denso a menos denso.

Como se muestra en la imagen se observa que el medio es menos de denso en la parte superior de la atmosfera y más denso en la inferior. Por tal motivo, los rayos que viajan cerca de la parte superior lo hacen con mayor rapidez que los que están cerca de la parte inferior, y el frente de onda se inclina hacia abajo.

Imagen de la refraccion ocurrida a traves de las capas atmosfericas.

Gradiente de refractividad



Si uno promedia la gradiente de cada punto sobre el trayecto, se puede asumir que el rayo describe una trayectoria curva. De esta manera el rayo puede considerarse como que viaja sobre un arco de radio r. Este radio es inversamente proporcional al gradiente de índice de refracción promedio sobre la trayectoria, por lo tanto se puede permitir la siguiente aproximación:

1/r= dn/dh

Como el haz de microondas no es una línea recta, la superficie de la tierra sobre la cual viaja este no es plana. Igualmente si viajara sobre una superficie plana tal como la de la mar es necesario tomar en cuenta la curvatura de la tierra; la tierra no es redonda es una esferoide ovalada. Sin embargo para aproximaciones de cálculo puede aproximarse a un arco, con un radio promedio Ro= 6370 Km.

Video 21:00 mint
10 m agua podia proteger del rayo del sol.
26:00 mint
27:00 creacion de las capas del ozono con el oxigeno.
38:00 esfera magnetica de la tierra
41:00 aurora boreales.
46:00

Difraccion

Difracción de la Luz

La difracción es el fenómeno que se produce cuando las ondas (mecánicas, electromagnéticas o asociadas a partículas) alcanzan un obstáculo o abertura de dimensiones comparables a su propia longitud de onda y que se manifiesta en forma de perturbaciones en la propagación de la onda, bien sea rodeando el obstáculo o produciéndose una divergencia a partir de la abertura.

Efecto de difracción al pasar por distintos obstáculos

Otra definición para la difracción puede ser como toda desviación de rayos luminosos que no pueda explicarse como reflexión ni como refracción.

Cuando se observa la difracción producida por un objeto proyectando sobre una pantalla a una distancia muy grande del propio objeto, la distribución de intensidades observada se conoce como "Patrón de difracción de Fraunhofer"

Ejemplo del patrón de difracción de Fraunhofer.

Video de ejemplo de difracción de la luz.

Reflexión en la luz y en el ambiente

Reflexión de la Luz:

Ejemplo de Reflexion de la luz

La reflexión es el cambio de dirección de una onda magnética, que al estar en contacto con la superficie de separación entre dos medios cambiantes, de tal forma que regresa al medio inicial. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua. La luz es una forma de energía. Gracias a ello puedes ver tu imagen reflejada en un espejo, en la superficie del agua o un piso muy brillante. Esto se debe a un fenómeno llamado reflexión de la luz. La reflexión ocurre cuando los rayos de luz que inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio que salieron formando un ángulo igual al de la luz incidente, muy distinta a la refracción.

Algunos ejemplos de fenómenos de reflexión


Fenómenos de reflexión son los que se producen en los espejos, en la superficie de un río o de un lago de aguas tranquilas que nos permiten ver el paisaje reflejado en las aguas.

Ejemplo de rayo incidente e un espejo utilizado con un reloj.

Ejemplo de reflexión es el reflejo de nosotros en el agua.

Pero no sólo la luz se refleja, el eco que se produce cuando emitimos un sonido en un valle es un fenómeno debido a la reflexión de las ondas sonoras en la montaña que nos devuelve el sonido emitido, pero también si lanzamos una piedra en la superficie del agua de un estanque, la onda que se forma, al llegar a la orilla, se refleja. Pero abordemos primero el estudio de fenómenos de reflexión en ondas unidimensionales que podremos visualizar.

Reflexión en un medio unidimensional

Veamos en primer lugar la reflexión de una onda transversal. Tal es el caso que se produce en el extremos de una onda que se propaga en una cuerda cuyo extremo se encuentra atado a un muro y, por lo tanto, no puede sufrir deformación alguna. Decimos que entonces se ha producido una reflexión dura.

Ejemplo de la onda  como se mueve a traves de la cuerda.

Ejemplo del momento del impacto contra el muro.

 Al volver, la onda se propaga a la misma velocidad pero con sentido inverso. La elongación cambia de signo. Encontraríamos la imagen anterior especular de la onda si hubiera podido continuar su propagación más allá del muro.

En el caso en que el ángulo de incidencia   A = 45º, el ángulo reflejado  B  debe ser también igual a 45º   , que es lo que se produce en el espejo de la cubeta de ondas con los rayos de luz que se reflejan en la pantalla.

Ejemplo en el que el angulo de incidencia sea de 45º

Video ilustrativo de la reflexión y refracción

Refracción y Dispersion

Indice de refraccion
Es la relación entre la velocidad de propagación de la onda en un medio de referencia (por ejemplo el vacío para las ondas electromagnéticas) y su velocidad en el medio del que se trate.

Por otro lado, la velocidad de la penetración de la luz en un medio distinto del vacío está en relación con la longitud de la onda y, cuando un haz de luz blanca pasa de un medio a otro, cada color sufre una ligera desviación. 




Dispersion de la Luz

Este fenómeno es conocido como dispersión de la luz. Por ejemplo, al llegar a un medio más denso, las ondas más cortas pierden velocidad sobre las largas (ej: cuando la luz blanca atraviesa un prisma). Las longitudes de onda corta son hasta 4 veces más dispersadas que las largas lo cual explica que el cielo se vea azulado, ya que para esa gama de colores el índice de refracción es mayor y se dispersa más.

Ejemplo de dispersión de la luz a través de un prisma.

Explicación del efecto de dispersión en el prisma

Cuando un haz de luz blanca procedente del sol atraviesa un prisma de cristal, las distintas radiaciones monocromáticas son tanto más desviadas por la refracción cuanto menor es su longitud de onda. De esta manera, los rayos rojos son menos desviados que los violáceos y el haz primitivo de luz blanca, así ensanchado por el prisma, se convierte en un espectro electromagnético en el cual las radiaciones coloreadas se hallan expuestas sin solución de continuidad, en el orden de su longitud de onda, que es el de los siete colores ya propuestos por Isaac Newton: violeta, índigo, azul, verde,amarillo, anaranjado y rojo (Así como, en ambos extremos del espectro, el ultravioleta y el infrarrojo, que no son directamente visibles por el ojo humano, pero que impresionan las placas fotográficas.

Dispersión y refracción

Para comprender esta componente hay que recordar que la potencia de un modo se propaga parcialmente por el núcleo y parcialmente por el revestimiento. El índice efectivo de un modo se sitúa entre el indice de refracción del núcleo y del revestimiento, acercándose más a uno u otro dependiendo de cuál sea el porcentaje de la potencia que se propaga por ellos (si la mayor parte de la potencia está contenida en el núcleo, el índice efectivo estará más cerca del índice de refracción del núcleo). Como la distribución de la potencia de un modo entre el núcleo y el revestimiento depende de la longitud de onda, si la longitud de onda cambia, la distribución de potencia también cambia, provocando un cambio en el índice efectivo o constante de propagación del modo.

En la refracción se cumplen las leyes deducidas por Huygens que rigen todo el movimiento ondulatorio:

• El rayo incidente, el reflejado y el refractado se encuentran en el mismo plano.
• Los ángulos de incidencia y reflexión son iguales, entendiendo por tales los que forman respectivamente el rayo incidente y el reflejado con la perpendicular (llamada Normal) a la superficie de separación trazada en el punto de incidencia.

Algunos videos ilustrativos de como la luz es refractada: