alt=|miniaturadeimagen|230x230px|Figura 1. Conductos Troposféricos Un conducto troposférico es un espacio en el cual una onda electromagnética con rangos de frecuencia que oscilan en las bandas de VHF(Very High Frequency) y UHF(Ultra High Frequency) queda confinada entre dos masas de aire, creando un efecto similar a las guías de onda. Estas masas de aire están superpuestas, esto debido a un cambio en la temperatura que ocurre en la noche por la ausencia de calor y de corrientes de convección, a esto se le conoce como inversión de temperatura, haciendo que el aire caliente pierda densidad y ascienda sobre el aire más frío cercano a la superficie terrestre, creando un conducto que da lugar a un fenómeno de súper refracción, este conducto se conoce como conducto de superficie, debido a que está próximo a la superficie de la tierra. En las primeras horas de la mañana, cuando la temperatura de la tierra aumenta empiezan a aparecer las corrientes de convección haciendo que el conducto generado anteriormente se convierta en un conducto elevado, esto, debido a que las dos masas de aire se vuelven una atmósfera homogénea por el efecto de las corrientes de convección.

Definición

Los conductos troposféricos hacen referencia a un fenómeno que, como su nombre lo indica, se origina en la capa troposférica de la tierra. Este fenómeno sucede cuando dos masas de aire se superponen a causa de que hay una inversión de temperatura, pero, no hay una inversión en el índice de refracción. La inversión de temperatura sucede al anochecer debido a que no hay ninguna fuente externa de calor, tampoco hay corrientes de convección generadas por la convección natural que se presenta por el sol, esto hace que la temperatura de la superficie se empiece a disipar. Cuando este evento inicia el aire caliente pierde densidad y se superpone al aire frío. Al momento de ocurrir esta superposición de masas de aire se da lugar al fenómeno de súper refracción entre las capas de aire densas y menos densas, formando así un conducto cercano a la superficie terrestre, este conducto se conoce como conducto de superficie, llamado así, porque su ubicación tiende a estar cercana en la superficie terrestre.

Al iniciar el día, cuando el sol calienta nuevamente la superficie terrestre, empiezan a surgir las corrientes de convección, haciendo que las dos masas de aire sean menos densas, ascendiendo de la superficie, convirtiendo los conductos de superficie en conductos elevados.

Los conductos troposféricos tienden a formarse en países cercanos al ecuador y climas cálidos, en climas templados y fríos la posibilidad de formación de conductos decrece, esto se debe a factores como la humedad, la disminución de la temperatura y la densidad del aire.

Las ondas electromagnéticas que quedan confinadas en los conductos troposfericos tienden a tener valores que oscilan en las bandas de VHF y UHF, debido a que aquí se manejan gran parte de las telecomunicaciones que existen en el planeta. Un conducto puede también ser comparado con una guía de ondas de microondas, en la cual el conducto no propagará señales cuya longitudes de onda sean demasiadas largas en relación con su profundidad vertical. En la siguiente tabla se observan los espesores mínimos de conductos, con relación a la frecuencia y la longitud de onda que son aproximadamente:

f (MHz) (m) Espesor mínimo de los conductos(m) 50 6 400 70 4 300 144 2 200 432 0,7 100 1300 0,23 50

Refracción Atmosférica

Índice de Refracción Troposférica

Las ondas de radio en la tropósfera sufren refracción debido a cambios de temperatura, presión y vapor

: Índice de refracción de la troposfera.

Cuando nos referimos a y nos referimos a término seco y término húmedo respectivamente

Ejemplo:

El índice es muy próximo a la unidad, pero existe una pequeña discrepancia que depende de las condiciones atmosféricas, podemos identificar que el aire caliente tiene mayor posibilidad de contener vapor de agua a diferencia del frío por lo tanto tendrá una mayor variación en su índice de refracción.

Súper-Refracción

La súper-refracción puede ocurrir en un intervalo de altura limitada en la troposfera. Con la súper-refracción, el índice refractivo disminuye a una velocidad cuatro veces el tiempo de la refracción estándar. Para esto se deben tener en cuenta las condiciones climáticas propicias para la súper-refracción.

Dónde:

Dónde:

= cambio vertical del índice refractivo de una altura

= Altura

= Presión

= Temperatura

= Humedad

De la ecuación se deduce que el cambio vertical del índice refractivo a una altura y tasa de tiempo se determinan por factores como cambios de presión, temperatura, humedad. Aunque , y varían con la altura, su valor numérico tiene un mayor efecto en el cambio del índice refractivo.

La presión del aire disminuye con la altura y su cambio depende solo un poco de las condiciones del clima. Por lo tanto, el primer término en la ecuación es casi constante y negativo, en contraste de los cambios de temperatura y humedad los cuales son muy dependientes del clima.

Como vimos también en otras secciones, bajo ciertas condiciones climáticas, lo que se conoce como inversiones de temperatura puede ocurrir; en lugar de disminuir con la altura como es habitual la temperatura aumenta dentro de un intervalo particular.

Entre las condiciones propicias para la súper-refracción, es decir, valores negativos anormalmente altos de , son las inversiones de temperatura más altas y un lapso de humedad extremadamente elevada según la altitud. De los dos factores de inversión el más importante y decisivo es la temperatura. Existen inversiones superficiales e inversiones elevadas:

Las inversiones de temperatura pueden causar procesos de advección, enfriamiento de la superficie de la tierra a través de la radiación y compresión de masas de aire. En un proceso de advección, puede soplarse un cuerpo de aire seco y caliente sobre una capa de aire más fría (inversión elevada) o sobre un suelo subyacente más frío y como consecuencia, sobre una capa de aire enfriada (debido al contacto con la superficie de la Tierra). Este tipo de inversión se debe observar a principios de primavera en regiones más cálidas de la tierra sobre el suelo cubierto por la nieve.

Otro ejemplo de advección se muestra esquemáticamente en inversión de temperatura por advección ("figura 2"). En el día, la tierra se calienta más rápido que el mar, debido a la diferencia en el calor específico. Cuando un cuerpo de aire cálido y seco sopla desde la tierra sobre el mar más frío, el aire adyacente al agua se enfría y se produce una inversión de temperatura. Además, es posible que se produzca una evaporación o se puedan extraer gotas de agua de las crestas de las olas, por lo que la humedad aumenta cerca de la superficie y disminuye con la altura. alt=Figura. 3 inversión de temperatura por adicción|centro|marco|Figura 2: Inversión de temperatura por adición El proceso de propagación de ondas de radio en condiciones de super-refracción afecta un volumen de la troposfera (“Figura. 3”) que se extiende desde la superficie de la tierra a una altura . alt=|centro|miniaturadeimagen|720x720px|Figura 3: Propagación de radio en el caso de súper-refracción. La antena de transmisión está ubicada en el punto A. a partir de los ángulos de elevación grandes 1 y 2 sometido a refracciones parciales que pasan a través del límite superior del volumen de la troposfera sin quedar atrapado en esta. Los rayos que comienzan con un ángulo de elevación se devuelven horizontalmente a la tierra a una altura ± .. El radio de curvatura de la trayectoria del rayo es igual al radio de la Tierra como se muestra en 3. Todos los rayos emitidos dentro del sector ± quedarán atrapados por la región de super-refracción y luego se obtendrán rangos generalmente anormales más allá de la línea de visión. Uno de estos rayos comienza en un ángulo de elevación α4 el cual esta referenciado en la figura 3. Este rayo experimenta una refracción interna total a una altura menor que , se refleja desde la superficie de la tierra, traza el mismo camino que antes, y así sucesivamente, a lo largo de toda la región de super-refracción, a su vez es posible encontrar un ángulo de elevación negativo , en el cual el rayo primero se reflejará desde la superficie de la Tierra y luego trazará un camino similar al que se acaba de describir. Este camino está marcado por 4'. Las líneas discontinuas representan los rayos 5 y 5' comenzando en ángulos de elevación iniciales más pequeños y experimentando una reflexión interna total en altitudes más bajas.

La propagación de radio en condiciones de súper-refracción se parece a la de las guías de onda dieléctricas. La superficie de la tierra que conduce de manera imperfecta actúa como la pared inferior de tal guía de onda, el límite superior de la región súper-refractiva, como su pared superior. Al igual que con una guía de onda dieléctrica, el índice de refracción dentro de la región de súper-refracción tiene un valor mayor que el de arriba. La diferencia es que, mientras en una guía de onda dieléctrica, el rayo es individual y experimenta una reflexión interna total desde las paredes superior e inferior, en una región súper-refractiva experimenta una reflexión ordinaria desde la superficie de la Tierra que conduce de manera imperfecta y una reflexión interna total desde el volumen súper-refractivo cuya altitud es diferente para diferentes ángulos de elevación.

Debido a esta analogía, las regiones súper-refractivas en la troposfera a menudo se denominan guías de onda troposféricas o conductos troposféricos, y la propagación de radio en condiciones de súper-refracción se denomina canalización o modo canalizado.

Hay una analogía más profunda entre las guías de onda dieléctricas y troposféricas. Al igual que con las guías de onda dieléctricas, la condición para que las ondas se apoyen en un conducto troposférico es que la longitud de onda no debe exceder de , la cual es la longitud de onda de corte. Para los casos más comunes, existe la siguiente relación entre la longitud de onda de corte y la altura de la superficie troposférica.

Dónde:

= Altura de la superficie troposférica.

= Longitud de onda de corte.

Las longitudes de onda de corte que satisfacen la siguiente ecuación se muestran en la siguiente tabla:

6 24 120 600 0.01 0.1 1 10 Tabla. 1 longitudes de onda de corte de conductos troposféricos como función de la altura del conducto.

Del análisis de los perfiles de índice de refracción basados en observaciones, se deduce que la altura de los conductos troposféricos suele medirse en metros y decenas de metros y casi nunca supera los 200 metros. Por lo tanto, los conductos troposféricos solo pueden soportar ondas ultra-cortas, principalmente en decímetros y bandas centimetricas. En casos inusuales, un conducto de troposfera puede guiar ondas de dos o tres metros de largo. La duplicación troposférica también puede tener algún efecto sobre la propagación de ondas métricas que exceden la longitud de onda de corte, lo que genera el campo recibido. La canalización no tiene ningún efecto en longitudes cortas, medias y largas.

El enfoque de trazado de rayos en la conducción troposférica de las ondas ultra-cortas proporcionan solo un valor aproximado de la longitud de onda de corte, pero no sirve para encontrar la función de atenuación. Por lo tanto, la función de atenuación se debe encontrar resolviendo las ecuaciones de Maxwell para condiciones de límite adecuadamente específicas.

Una solución al problema de la propagación por radio fue obtenida en 1946 por Krasnushkin. quién usó el método de modo normal. Se refirió a la posibilidad de conductos sobre la superficie de la tierra debido a los efectos del clima antes de que los conductos troposféricos se observaran experimentalmente.

Este problema ha sido tratado por varios autores extranjeros, incluidos Booker y Walkinshaw, Pekeris y Ament.