Atmósfera del Planeta Tierra y la Ionosfera

A menudo se escucha a los expertos de las comunicaciones discutir sobre la problemática de la propagación de las señales electromagnéticas por el espacio, dando un tono de complejidad al tema, pues se hace meramente difícil comprender tal situación de que las frecuencias se pierdan, refracten o se reflejen en la ionosfera viajando cientos de kilómetros creando así zonas de silencio entre un punto y otro, pero en realidad suena interesante el saber a qué se debe todo esto.

Para comprender un poco del tema, debemos dar incapie al tema de la atmósfera de la Tierra que es la capa de gases que rodea al planeta, cotidianamente llamada aire. La atmósfera es retenida por acción de la gravedad y sus efectos son muy importantes en la dinámica planetaria. Sin ella no sería posible la vida. Nos protege de la mayor parte de la radiación ultravioleta del Sol, retiene calor, reduce los extremos de temperatura día-noche y es la reserva de CO2, la principal sustancia utilizada en la producción primaria, el punto de partida de toda la cadena trófica.

Hay planetas compuestos principalmente por gas y presentan atmósferas muy profundas. En la Tierra ocupa un total de 10000 km, aunque no hay un límite claro. La densidad de la atmósfera va decreciendo a medida que aumenta la altitud. Por encima de los 100 km, dónde se sitúa la línea de Karmán, la densidad es tan baja que se consideran condiciones del espacio exterior; los efectos de la reentrada atmosférica comienzan aproximadamente a los 120 km. Por encima de los 700 km la atmósfera ya ni siquiera se comporta como un gas.

Composición media

La composición de la atmósfera no es homogénea. La concentración media de los gases más abundantes son:

• Nitrógeno (N2) 78.084%
• Oxígeno (O2) 20.946%
• Argón (Ar) 0.9340%
• Vapor de agua (H2O) 0.001% – 5%
• Dióxido de carbono (CO2) 0.04%
• Neón (Ne) 0.001818%
• Helio (He) 0.0005234%
• Metano (CH4) 0.000179%

El nitrógeno, el oxígeno y el argón son, en ese orden, los componentes mayoritarios de la atmósfera. El vapor de agua es muy variable entre regiones y su concentración puede ir desde el 0.001% en las zonas más frías hasta el 5% en las masas de aire caliente y húmedo (porcentajes de vapor de agua en volumen, no como humedad relativa).

El resto de gases, CO2, neón, helio y metano, se suelen referir como gases traza y todos juntos suponen apenas el 0.1% de la atmósfera. A pesar de su baja concentración, entre ellos están los gases de efecto invernadero más importantes, el dióxido de carbono y el metano.

En la atmósfera se pueden encontrar muchísimas sustancias más, incluyendo partículas y sustancias naturales, generalmente con alta variabilidad local y estacional, como polvo, polen, esporas, aerosoles marinos o cenizas volcánicas, y partículas y sustancias artificiales, por ejemplo contaminantes industriales como cloruros, fluoruros o compuestos de azufre.

Capas de la Atmósfera

La atmósfera consiste en 5 capas principales en función de su temperatura, composición química, densidad y movimiento, pero también posee otras regiones de características especiales. Esto indica que la atmósfera no es solamente una mezcla de gases suspendidos en lo alto del planeta, sino que se trata de una estructura compleja cuya constitución varía según la capa.

Capas de la atmósfera

Troposfera.

Es la capa más baja y abarca la superficie terrestre hasta una altura media de 12 kilómetros; unos 17 kilómetros en las regiones ecuatoriales y cerca de 9 kilómetros en polos. En los trópicos puede tener una altitud de hasta 20 kilómetros. Contiene aproximadamente cuatro quintas partes del aire del planeta, y es en ella donde se produce el clima que afecta a los seres vivos, incluyendo los fenómenos atmosféricos.

La temperatura del aire en la troposfera disminuye en tanto aumenta la altitud. ¿Por qué? Bueno, la razón es que el sol calienta la superficie terrestre y esta calienta la parte inferior de la troposfera. De manera similar, la cantidad de vapor de agua suele disminuir a mayor altura y es mayor cerca de la superficie.

La región limítrofe de la troposfera que la separa de la estratosfera, se llama tropopausa. Ahí la temperatura no experimenta variaciones con la altura.

Estratosfera.

Separada de la troposfera por la tropopausa se encuentra esta capa que contiene un 19 por ciento de los gases atmosféricos, pero muy poca cantidad de vapor de agua. Su altura, del mismo modo que en el caso de la troposfera, varía según la región de la superficie terrestre. Normalmente se encuentra entre los 10-13 y los 50 kilómetros de altitud, pero en los polos comienza a partir de los 8 kilómetros mientras que en zonas cercanas al ecuador inicia a una altura de 18 kilómetros.

Su temperatura es más caliente que la de la troposfera debido a que la capa de ozono absorbe un 97-99 por ciento de la luz ultravioleta del Sol. La capa de ozono es una región de la estratósfera que bloquea los rayos solares e impide que lleguen a los seres vivos en su forma dañina. A pesar de su calor, en su base presenta una temperatura sumamente fría, de hasta -80 grados centígrados.

Mesosfera.

Se ubica encima de la estratosfera hasta una altura de 80-85 kilómetros en las latitudes medias, donde se encuentra la mesopausa. Esta constituye el límite entre la mesosfera y la termosfera.

La temperatura en esta capa desciende nuevamente hasta casi alcanzar los -120 a -143 grados centígrados en su parte superior. Los gruesos gases de la mesosfera son los responsables de frenar los meteoritos y otros fragmentos de cuerpos celestes antes de que impacten contra la superficie terrestre. Lo que ocurre es que justo en la mesosfera se reduce la velocidad de los meteoritos y acaban quemándose.

Termosfera.

Desde el límite superior de la mesopausa se extiende la termosfera, conocida como atmósfera superior. Se extiende hasta los 500-1,000 kilómetros, y a unos 80-550 kilómetros de la superficie terrestre se localiza la ionosfera, una delgada región conductora de electricidad puesto que se encuentra siempre ionizada, es decir, sus electrones y átomos están cargados eléctricamente debido a la radiación ultravioleta del Sol.

La termosfera presenta temperaturas que aumentan con la altitud, como consecuencia de la absorción de una elevada radiación solar. Solo en la termosfera es posible una temperatura de hasta 2,000 grados centígrados en su parte superior. No obstante, para un ser humano la sensación no es tan caliente, ya que el número de moléculas contenido no es alto como para provocar el calentamiento del cuerpo.

Es en esta capa donde se producen las auroras boreales, vistas por lo regular en las regiones polares. Aquí también es el sitio donde transcurre el tiempo para los astronautas que orbitan la Tierra en un transbordador espacial o en una estación espacial.

Exosfera.

Es la última capa, la más externa hasta conectarse con el viento solar. Comprende el área desde la parte superior de la termosfera hasta unos 10,000 kilómetros de altura hasta perderse en el vacío del espacio interplanetario.

Ionosfera

La ionosfera se sitúa sobre la mesosfera, por encima de los 80 kilómetros y se extiende hasta 640 km de altura aproximadamente, esta capa es una región ionizada por la radiación

electromagnética emitida por el sol y forma parte de la atmosfera superior del planeta tierra, se compone de varias capas de aire ionizado en donde la temperatura aumenta con la altitud y el aire es tenue; si el sol está activo, la temperatura puede llegar hasta 1,500 °C e incluso más altas; y contiene capas conductoras de electricidad que funcionan como espejos pues son capaces de reflejar las ondas de radio y permitir la transmisión de comunicaciones a grandes distancias.

En la ionosfera, los gases son muy escasos y su ionización depende de la radiación ultravioleta, radiación solar, y rayos X solares, existen regiones en la ionosfera y picos de densidad los cuales varían notablemente dependiendo de:

• El Tiempo.
• Ciclos Solares.
• Estación del año.
• Día-Noche.
• Situación geográfica en la que nos encontremos.
• Polos.
• Zonas aurorales.
• Regiones de media latitud.
• Regiones ecuatoriales.
• Perturbaciones solares.

Propiedades de la Ionosfera

Esta parte de la atmosfera se ioniza cuando recibe la radiación ultravioleta y los rayos provenientes del sol, es entonces donde se liberan los electrones de las moléculas de nitrógeno y oxígeno, estos electrones reciben la excitación de la radiofrecuencia radiada y la reflejan, refractan o incluso la dispersan por el espacio. Entre las propiedades de la ionosfera, encontramos que esta capa contribuye esencialmente en la reflexión de las ondas de radio emitidas desde la superficie terrestre, lo que posibilita que éstas puedan viajar grandes distancias sobre la Tierra gracias a las partículas de iones (cargadas de electricidad) presentes en esta capa.

Estas características que posee la capa de la ionosfera reúnen los requisitos indispensables para tener la capacidad de propagar las señales de radio, cuando se transmite una señal electromagnética hacia la ionosfera, ésta la refleja o desvía de nuevo hacia la superficie de la tierra gracias a sus densas capas compuestas de gases en donde se encuentran partículas ionizadas conductoras; este efecto que se lleva a cabo hace posible la comunicación a distancias continentales, algo que prácticamente seria poco posible sin la ayuda de esta capa. 

Comportamiento Natural de la Ionosfera

Debemos entender el funcionamiento natural de la ionosfera para poder y saber cómo aprovecharla al máximo en la propagación de señales, no es tan sencillo como parece, primeramente debemos saber que cambia considerablemente a medida que nos movemos hacia arriba o hacia abajo respecto al nivel del mar, tomar en cuenta si la requerimos de día o de noche, puesto que de acuerdo a la posición del sol esta estará más arriba o abajo y las frecuencias a utilizar serán diferentes conforme a la altura de la ionosfera y la distancia que queramos alcanzar. 

La ionosfera para su estudio y mejor entendimiento se clasifica por las siguientes regiones:

• Región D que va de los 50 a 90 kilómetros, es la capa de la ionosfera más cercana a la tierra, la ionización provocada por el viento solar aumenta la densidad de electrones en esta capa, aparece de día durante todo el año y al anochecer desaparece volviéndose una capa tan delgada que permite que las señales de HF en frecuencia menores a 5 MHz la atraviesen libremente.
• Región E que abarca de los 90 a 140 kilómetros, en esta capa la densidad de ionización depende en gran parte de la luz solar, de noche es esporádica y permeable, durante el día es densa aunque menos que la capa D. 
• La capa F que a su vez se separa en dos, la capa F1 por debajo y la capa F2 por arriba.
• Región F1 que ocupa de los 140 a los 210 kilómetros, esta capa es puramente reflectora, está presente solamente durante el día.
• Región F2 que se extiende a más de 210 kilómetros, esta capa puede estar presente en gran parte de la noche.

La capa D, que es máxima al mediodía absorbe totalmente las señales entre 1 y 10 MHz emitidas desde la tierra, de manera que éstas no llegan a la capa F para ser reflejadas. Debido a estos comportamientos, durante las horas del día las comunicaciones en las bandas de 1,8 MHz y de 3,5 MHz s e limitan notablemente a algunos cientos de kilómetros. 

Las señales superiores a los 20 MHz atraviesan todas las capas, incluida la F1 y pueden llegar a la capa F2, que mediante reflexión retornan a la tierra. Durante el invierno, al mediodía, la capa F1 desaparece y de esta manera la capa F2 refleja señales de frecuencias más elevadas.

Sin radiación solar las capas F1 y F2 se juntan y forman una sola, la capa F, entre 300 y 400 Km sobre la superficie de la tierra, débilmente ionizada, refleja las señales de hasta 10 MHz aproximadamente, mientras que el resto de las señales se pierden en el espacio exterior.

Durante periodos de máxima actividad solar, con ionización nocturna intensa, las señales superiores a los 14 MHz e incluso las de 50 MHz se pueden reflejar en esta capa. La distancia a cubrir en un solo salto es de cómo minino 4000 km y se logran distancias mayores mediante saltos múltiples. 

La ionosfera es un sistema dinámico por sus constantes cambios, gobernado por múltiples parámetros, de los cuales tienen una influencia destacable todas las variaciones que se producen en la atmósfera, como: 

• La variación de las condiciones meteorológicas.
• Las emisiones electromagnéticas.
• Las variaciones que se producen en el campo magnético terrestre.

Por lo tanto se puede considerar a la ionosfera como un monitor de gran precisión de los cambios atmosféricos. De hecho se han realizado numerosos estudios para, por ejemplo, medir las variaciones de la ionosfera y emplearlas para predecir de los terremotos que se producirán en la tierra.