Análisis de los contactos radio entre las Islas Canarias y Sudamérica en la banda de 50 MHz en marzo de 2010

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Resumen:

En este artículo se analizan los eventos DX en la banda de 50 MHz entre las Islas Canarias, Brasil, Uruguay y Argentina, ocurridos entre los días 17 y 22 de Marzo de 2010 y el día 1 de Abril de 2010. Se trata de enlaces radio transecuatoriales en la banda de VHF, con la peculiaridad de haberse realizado en época mínima del ciclo solar, con un ángulo muy elevado respecto a la dirección Norte-Sur geomagnética y con falta de simetría respecto al Ecuador geomagnético. Se estudian varias hipótesis de propagación, como modos nE, modos nF, modos complejos o eTEP, mediante el análisis de las condiciones ionosféricas, la geometría aproximada del enlace y balances de potencias. El análisis todavía está desarrollándose. Si desea aportar información o comentarios, utilice el siguiente formulario.

Índice.

1. Introducción.

2. Características de la ionosfera ecuatorial.

2.1. Anomalía ecuatorial.

2.2. Turbulencias y FAI.

3. Información técnica sobre los enlaces radio.

3.1. Logs de los contactos.

3.2. Análisis estadístico.

3.3. Metodología usada en los cálculos.

4. Análisis de las condiciones ionosféricas

4.1. Condiciones del clima espacial.

4.2. Contenido total de electrones (TEC).

4.3. Ionogramas.

4.3.1. Ionosonda de Tucumán.

4.3.2. Ionosonda de Isla Ascensión.

4.3.3. Ionosonda de Fortaleza.

4.3.4. Ionosonda de Sao Luis.

4.3.5. Ionosonda de Cachoeira Paulista.

4.4. Mapas de centelleo ionosférico.

5. Hipótesis sobre modos de propagación.

5.1. Hipótesis de un sólo salto.

5.2. Hipótesis 2F.

5.3. Hipótesis de modos complejos.

5.4. Hipótesis eTEP.

5.5. Hipótesis 2E/3E/4E.

6. Conclusiones.

7. Referencias.

8. Glosario.

9. Agradecimientos.

1. Introducción.

En este artículo se realiza un estudio de los enlaces radio realizados por estaciones del Servicio de Radioaficionados entre las Islas Canarias (España) y varios países de Sudamérical, en la banda de 50 MHz, entre los días 17 y 21 de marzo de 2010.

La peculiaridad de estos enlaces se debió a los siguientes motivos:

Se trata de enlaces transecuatoriales de muy larga distancia en la banda de VHF.
Se produjeron en época de mínimo solar (SSN=33), justo al principio del ciclo solar 24, por lo que eran de esperar valores de MUF bajos.
La trayectoria de los enlaces forma un ángulo muy elevado respecto a la dirección Norte-Sur geomagnética.
Los circuitos no son simétricos respecto al Ecuador magnético.

Partiendo del análisis de los datos técnicos y los datos científicos disponibles públicamente, se plantean varias hipótesis sobre los posibles modos de propagación utilizados. Para cada caso, se tendrán en consideración los siguientes aspectos:

Análisis de las condiciones ionosféricas.
Geometría aproximada del enlace.
Balance de potencias.

En primer lugar se resumen la información técnica disponible sobre los enlaces radio, para a continuación realizar un análisis detallado de las condiciones de la ionosfera durante los días en los que se realizaron los enlaces.

Posteriormente se plantean varias hipótesis sobre los modos de propagación posibles. En este artículo se analizan los siguientes:

Propagación por un único salto mediante dispersión ecuatorial.
Propagación por doble salto en la capa F2 de la ionosfera (2F).
Propagación por modos complejos (1F1E/1E1F).
Propagación transecuatorial vespertina (eTEP).
Propagación por varios saltos en la capa E de la ionosfera (2E/3E/4E).

Al final del artículo está disponible un apartado de referencias y un glosario con las abreviaturas utilizadas.

Gran parte de los análisis aquí reflejados se basan en aportaciones de varios radioaficionados españoles, como EA3EPH, EA8DD, EA5EF, EC7DND, EA8BPX, EA1DDO, EA8DD, EA6DX, EA6VQ y EA1FBF, a través del foro de la Unión de Radioaficionados Españoles (URE).

Por su posible interés científico, también se han remitido informes a IPS Radio Space and Services, instituto dependiente del Gobierno de Australia con amplia experiencia en radiocomunicaciones y al Observatorio del Ebro, en España.

2. Características de la ionosfera ecuatorial.

La ionosfera es un medio muy poco homogéneo, que presenta además grandes diferencias en función de la latitud, pudiéndose distinguir tres regiones diferenciadas:

Ionosfera polar. Cerca de los polos, las líneas del campo geomagnético son muy perpendiculares a la superficie terrestre, lo que provoca que la zona quede más expuesta a los efectos del clima espacial, produciéndose fenómenos como las auroras boreales o episodios de absorción muy elevada (PCA) debidos a tormentas de radiación solar y a tormentas geomagnéticas.
Ionosfera templada. En latitudes medias, las distintas capas que componen la ionosfera tienen una estructura vertical más definida.
Ionosfera ecuatorial. Cerca del Ecuador y hasta latitudes de unos 20º, el Sol incide de forma muy perpendicular en la ionosfera, causando niveles elevados de fotoionización. Por otro lado, las líneas del campo geomagnético son prácticamente paralelas a la superficie terrestre.

La ionosfera ecuatorial se distingue además por la aparición de anomalías e irregularidades, que se describen en los siguientes apartados.

2.1. Anomalía ecuatorial.

En el caso de la ionosfera ecuatorial, dado que el Sol incide de forma perpendicular sobre el propio Ecuador, sería esperable que los máximos de ionización se alcanzasen en dicha zona. No obstante, a través de mediciones se ha comprobado que los máximos realmente se producen en latitudes comprendidas entre los 10º y los 20º de latitud magnética, fenómeno que recibe el nombre de anomalía ecuatorial o anomalía de Appleton. Recordemos también que el Ecuador magnético tiene una ubicación diferente al Ecuador geográfico.

La figura 2.1 muestra una imagen del contenido total de electrones (TEC) en la ionosfera el día 01/04/2010 a las 17:45 GMT, obtenida del modelo Earth Space 4-D global 4-D ionosphere, facilitado por Space Environment Technologies. Se representan también el Ecuador geomagnético (línea naranja) y la trayectoria de los enlaces radio entre Canarias y Brasil (línea blanca). Las zonas con colores más cálidos indican un mayor contenido total de electrones. Obsérverse cómo los máximos se dan a ambos lados del Ecuador.

Fig 2.1. Anomalía ecuatorial (ES4D global ionosphere, Space Environment Technologies).

Las zonas con mayor TEC presentarán valores más altos de foF2 (frecuencia crítica de la capa F2).

2.2. Turbulencias y FAI.

Otro fenómeno característico de la ionosfera ecuatorial es la aparición de turbulencias en forma de burbujas de plasma ecuatorial (EPB, Equatorial Plasma Bubbles) de densidad de ionización inferior a la habitual [Ref.Harrison], a última hora de la tarde.

El tamaño de estas burbujas oscila entre los 40 km y los 350 km de diámetro y se originan en la parte baja de la ionosfera, ascendiendo a velocidades de 125-350 m/s hasta altitudes de incluso 1500 km. Conforme ascienden, se alinean con el campo magnético terrestre (como dijimos, paralelo a la superficie terrestre en esta región) en dirección N-S magnética. Por este motivo, también reciben el nombre de irregularidades alineadas con el campo magnético (FAI, Field Aligned Irregularities) y pueden extenderse en la dirección del campo geomagnético hasta varios miles de kilómetros [Ref.Maruyama].

Por otro lado, al tratarse de electrones en movimiento, también están sujetas a los efectos del electrojet ecuatorial (EEJ), que provoca que las burbujas se desplacen además poco a poco hacia el Este, a velocidades de entre 25-125 m/s.

En la figura 2.2 se muestra un diagrama orientativo sobre la evolución temporal de este tipo de turbulencias.

Fig 2.2. Formación de Irregularidades alineadas con el campo geomagnético (FAI).

En la figura 2.3 se muestra una imagen tomada por la astronave TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics) de la NASA, en la que en la zona ecuatorial se aprecia perfectamente la formación de EPBs, alineadas con el campo geomagnético (zonas blancas).

Fig 2.3. EPBs observadas por la astronave TIMED de la NASA.

Al existir un gradiente en la densidad de ionización dentro y fuera de las burbujas, las ondas radioeléctricas que las atraviesan quedan sujetas a refracción, dispersión, difracción y variaciones de fase y amplitud, fenómeno conocido como centelleo y que puede afectar tanto a las comunicaciones vía satélite como a las de HF/VHF.

Estos gradientes en la densidad de ionización pueden implicar la formación de conductos que canalizan la trayectoria de las ondas de radio, permitiendo por ejemplo la propagación de ondas de VHF a grandes distancias entre los dos hemisferios terrestres (propagación transecuatorial, TEP), como se muestra en la figura 2.4.

Fig 2.4. Formación de conductos de propagación a partir de las FAI (E.R.Young et al, 1984).

La aparición de estas irregularidades puede monitorizarse con varios métodos, entre los que se encuentran los siguientes:

Dispersión de alcance (range spread, spread-F) en ionogramas. En un ionograma suelen aparecer bien definidas las líneas indicadoras de cada capa de la ionosfera. Si en la zona de la ionosonda aparece una irregularidad, se manifiesta como la dispersión vertical de dichas líneas.
Mapas de centelleo (scintillation maps). El centelleo es un fenómeno que se monitoriza constantemente, debido a que puede afectar a las comunicaciones vía satélite. Algunas agencias elaboran mapas de centelleo que pueden utilizarse para localizar a las irregularidades ionosféricas.

3. Información técnica sobre los enlaces radio.

En este apartado se muestra la información técnica disponible sobre los contactos realizados: fechas, horas, estaciones contactadas y su ubicación. Se realiza un estudio de la distribución acimut-distancia, teniendo en cuenta los emplazamientos de las estaciones.

También se indica la metodología para calcular los márgenes de desvanecimiento teóricos, así como los datos técnicos para calcular los balances de potencias, datos que se emplearán como parámetro adicional para tratar de validar o rechazar cada una de las hipótesis planteadas.

3.1. Logs de contactos.

Varias estaciones de radioaficionado de las Islas Canarias (España) informaron sobre la realización de contactos con otras estaciones ubicadas en Sudamérica, principalmente en el noreste de Brasil, utilizando la banda de 50 MHz, entre los días 17 y 21 de marzo de 2010 y el día 1 de abril de 2010.

En la figura 3.1. se muestra la representación sobre Google Earth de las posiciones de todas las estaciones contactadas. El fichero kmz está disponible para su descarga: "EA8-PY_DX_50_MHz_Mar_2010.kmz".

Fig 3.1. Emplazamientos de las estaciones implicadas en los contactos.
Pulse en las imágenes para verlas a tamaño completo

Como se verá, en todos los contactos los niveles de señal recibida por las estaciones de las Islas Canarias fueron muy buenos y según los operadores de las estaciones EA8 se mantuvieron en ese nivel mientras duró cada una de las aperturas de la banda. Los mismos operadores indican que no se observaron desvanecimientos de señal, ni variaciones de frecuencia en el transcurso de los contactos.

En el análisis, es necesario tener en cuenta que no se dispone de información sobre la distribución de la población de radioaficioandos en las áreas susceptibles de establecimiento de enlaces. Por ejemplo, en la evaluación de modos de saltos múltiples puede darse el caso de que en alguna de las zonas teóricas de cobertura no se hayan registrado contactos por el mero hecho de que no hubiese radioaficionados en la zona o incluso que no estuviesen activos en la hora y la frecuencia en la que se realizaron los contactos.

En algunos casos, por ejemplo, las zonas de cobertura de algunos saltos se ubican en pleno Océano Atlántico, donde la probabilidad de tener estaciones de radioaficionado activas es muy baja.

3.1.1. Contactos de EA8DD.

En la tabla 3.1 se muestra el listado de contactos realizados por la estación EA8DD, ubicada en el sur de la Isla de Tenerife:

Coordenadas geográficas: 20,09ºN, 16,53ºW.
Coordenadas geomagnéticas: 33,34ºN, 60,73ºE.
Locator Maidenhead: IL18RB.

Fecha	Hora UTC	Frec (MHz)	Estación	RS	Ciudad	País	Locator	Dist (km)	Acimut (º)
18/03/2010	22:53	50.115	PR7AR	57	Paraíba	Brasil	HI23GD	4357	210,5
19/03/2010	21:50	50.110	PP5XX	59	Itapoá	Brasil	GG53QW	6811	212,6
19/03/2010	21:54	50.110	PY1ZV	59	Río Janeiro	Brasil	GG87KO	6219	209,7
19/03/2010	21:57	50.110	PT7TT	59	Aracau	Brasil	GI97WC	4236	220,1
19/03/2010	21:59	50.110	PT7ZAP	59	Fortaleza	Brasil	HI06RG	4219	217,2
19/03/2010	22:06	50.110	PP1CZ	59	Vitoria	Brasil	GG99UQ	5896	208,0
19/03/2010	22:19	50.110	PY2MAJ	59	Sao Paulo	Brasil	GG66RJ	6487	212,2
19/03/2010	22:22	50.110	PY2REK	59	Bal Suarao	Brasil	GG65PU	6545	212,1
19/03/2010	22:32	50.110	PY5EW	59	Londrina	Brasil	GG46IP	6698	216,6
20/03/2010	22:34	50.115	PY7XAF	55	Itamaracá	Brasil	HI22ME	4425	209,0
21/03/2010	22:31	50.110	PY0FF	59	Fdo.Noronha	Brasil	HI36TD	3918	208,0
01/04/2010	18:56	50.110	CX5CR	59	Montevideo	Uruguay	FF82HH	8516	216,0
01/04/2010	18:58	50.110	LU5CAB	59	Buenos Aires	Argentina	GF05SJ	8028	214,9

Tabla 3.1. Estaciones contactadas por EA8DD.

En la tabla 3.2 se muestra más información sobre estos contactos:

LST EA8: horal solar local en las Islas Canarias en el momento del contacto.
Lat/Long GEO: coordenadas geográficas de las estaciones contactadas.
Lat/Long MAG: coordenadas geomagnéticas de las estaciones contactadas.
LST: horal solar local en la ubicación de la estación contactada.
Dif.LST: diferencia de hora solar local entre las estaciones de ambos extremos.

Fecha	LST EA8	Estación	Locator	Lat GEO	Long GEO	Lat MAG	Long MAG	LST	Dif.LST
18/03/2010	22:53	PR7AR	HI23GD	-6,85417	-35,45833	1,17	36,46	20:23	1:15
19/03/2010	21:50	PP5XX	GG53QW	-26,06250	-48,62500	-16,86	22,07	18:27	2:09
19/03/2010	21:54	PY1ZV	GG87KO	-22,39583	-43,12500	-13,60	27,55	18:53	1:47
19/03/2010	21:57	PT7TT	GI97WC	-2,89583	-40,12500	5,56	32,22	19:08	1:35
19/03/2010	21:59	PT7ZAP	HI06RG	-3,72917	-38,54167	4,58	32,72	19:17	1:28
19/03/2010	22:06	PP1CZ	GG99UQ	-20,31250	-40,29167	-11,76	30,44	19:17	1:35
19/03/2010	22:19	PY2MAJ	GG66RJ	-23,60417	-46,54167	-14,55	24,22	19:05	2:00
19/03/2010	22:22	PY2REK	GG65PU	-24,14583	-46,70833	-15,07	24,02	19:07	2:01
19/03/2010	22:32	PY5EW	GG46IP	-23,35417	-51,29167	-13,99	19,75	18:59	2:19
20/03/2010	22:34	PY7XAF	HI22ME	-7,81250	-34,87500	0,15	36,94	20:07	1:13
21/03/2010	22:31	PY0FF	HI36TD	-3,85417	-32,37500	3,82	39,84	20:14	1:03
01/04/2010	18:56	CX5CR	FF82HH	-37,68750	-63,37500	-27,81	7,91	14:38	3:08
01/04/2010	18:58	LU5CAB	GF05SJ	-34,60417	-58,45833	-24,88	12,46	15:00	2:48

Tabla 3.2. Hora solar local y coordenadas geomagnéticas de las estaciones contactadas por EA8DD.

El equipo utilizado por EA8DD está formado por un transceptor de 100 W de potencia de RF y una antena directiva de 4 elementos, modelo Hy-Gain VB-64DX, de 10,35 dBi de ganancia (fig.3.2). Los contactos se realizaron apuntando la antena con un acimut de 220º-230º. La sensibilidad del receptor es de 0,25 uV (-119 dBm).

Fig 3.2. Sistemas radiantes de la estación de radioaficionado EA8DD (imagen cortesía de EA8DD).

3.1.2. Contactos de EA8BPX.

En la tabla 3.3 se muestra el listado de contactos realizados por la estación EA8BPX, ubicada en el norte de la Isla de Tenerife:

Coordenadas geográficas: 28,45ºN, 16,44ºW.
Coordenadas geomagnéticas: 33,7ºN, 60,89ºE.
Locator Maidenhead: IL18SK.

Fecha	Hora UTC	Frec (MHz)	Estación	RS	Ciudad	País	Locator	Dist (km)	Acimut (º)
17/03/2010	22:33	6 m	LU1FVE	55	Castelar	Argentina	FF88XJ	7995	219,2
17/03/2010	22:34	6 m	PP5XX	59	Itapoá	Brasil	GG53QW	6849	212,6
17/03/2010	22:53	6 m	PY0FF	57	Fernando de Noronha	Brasil	HI36TD	3958	207,9
17/03/2010	22:57	6 m	PY2MAJ	54	Sao Paulo	Brasil	GG66RJ	6525	212,2
17/03/2010	23:05	6 m	PY2GH	59	Santo André	Brasil	GG66RI	6529	212,2
18/03/2010	22:49	6 m	PR7AR	55	Paraíba	Brasil	HI23GD	4397	210,4
19/03/2010	21:47	6 m	PT7ZAP	55	Fortaleza	Brasil	HI06RG	4256	217,0
19/03/2010	22:05	6 m	PP1CZ	59	Vitoria/ES	Brasil	GG99UQ	5936	208,0
19/03/2010	22:45	6 m	PU4CQQ	59	Divinopolis	Brasil	GG79NU	6123	212,7
19/03/2010	22:55	6 m	PY2ZXU	57	Santos	Brasil	GG66TB	6549	211,8
20/03/2010	18:39	6 m	LU8EMH	57	Pehuajo	Argentina	FF94BE	8328	216,6
20/03/2010	18:54	6 m	LU8EEM	55	Lincoln	Argentina	FF95GD	8229	216,7
20/03/2010	18:57	6 m	LU5FCI	55	Santo Tomé	Argentina	FF98OI	7933	218,4
20/03/2010	19:14	6 m	9Z4BM	55	San Fernando	Trinidad y Tobago	FK90GG	5079	255,9
20/03/2010	22:27	6 m	PU2CQQ	58	Sao Paulo	Brasil	GG66RK	6521	212,2
20/03/2010	22:27	6 m	PY7XAF	59	Ilha de Itamaracá	Brasil	HI22NE	4465	208,9
24/03/2010	19:17	6 m	KP4EIT	53	Ciales (Puerto Rico)	Estados Unidos	FK68SI	5207	268,9
24/03/2010	20:08	6 m	TN5SM	55	Desconocida	Congo	JI75PR	4919	131,8
24/03/2010	20:11	6 m	5N7M	59	Abuja	Nigeria	JJ39SB	3293	125,9
25/03/2010	19:52	6 m	PP5XX	59	Itapoá	Brasil	GG53QW	6849	212,6
01/04/2010	17:25	6 m	LU1DMA	59	Buenos Aires	Argentina	GF05PH	8083	215,0
01/04/2010	17:30	6 m	LU6DLB	52	Buenos Aires	Argentina	GF05PH	8083	215,0
01/04/2010	17:34	6 m	LU8EMH	55	Buenos Aires	Argentina	FF94BE	8328	216,3
01/04/2010	17:41	6 m	CX5CR	51	Montevideo	Uruguay	FF82HH	8552	216,0
01/04/2010	17:41	6 m	LW3EX	53	Buenos Aires	Argentina	GF05RL	8062	215,0
01/04/2010	18:31	6 m	LU5CAB	57	Buenos Aires	Argentina	GF05SJ	8065	214,9
01/04/2010	18:32	6 m	LU8ADX	53	Buenos Aires	Argentina	GF05HJ	8108	215,5

Tabla 3.3. Estaciones contactadas por EA8BPX.

En la tabla 3.4 se muestra más información sobre estos contactos:

LST EA8: horal solar local en las Islas Canarias en el momento del contacto.
Lat/Long GEO: coordenadas geográficas de las estaciones contactadas.
Lat/Long MAG: coordenadas geomagnéticas de las estaciones contactadas.
LST: horal solar local en la ubicación de la estación contactada.
Dif.LST: diferencia de hora solar local entre las estaciones de ambos extremos.

Fecha	LST EA8	Estación	Locator	Lat GEO	Long GEO	Lat MAG	Long MAG	LST	Dif.LST
17/03/2010	21:18	LU1FVE	FF88XJ	-31,60417	-62,04167	-21,76	9,33	18:16	3:02
17/03/2010	21:19	PP5XX	GG53QW	-26,06250	-48,62500	-16,86	22,07	19:11	2:08
17/03/2010	21:38	PY0FF	HI36TD	-3,85417	-32,37500	3,82	39,84	20:35	1:03
17/03/2010	21:42	PY2MAJ	GG66RJ	-23,60417	-46,54167	-14,55	24,22	19:42	2:00
17/03/2010	21:50	PY2GH	GG66RI	-23,64583	-46,54167	-14,59	24,21	19:50	2:00
18/03/2010	21:35	PR7AR	HI23GD	-6,85417	-35,45833	1,17	36,46	20:19	1:16
19/03/2010	20:33	PT7ZAP	HI06RG	-3,72917	-38,54167	4,58	33,72	19:05	1:28
19/03/2010	20:51	PP1CZ	GG99UQ	-20,31250	-40,29167	-11,76	30,44	19:16	1:35
19/03/2010	21:31	PU4CQQ	GG79NU	-20,14583	-44,87500	-11,22	26,08	19:37	1:54
19/03/2010	21:41	PY2ZXU	GG66TB	-23,93750	-46,37500	-14,89	24,35	19:41	2:00
20/03/2010	17:25	LU8EMH	FF94BE	-35,81250	-61,87500	-25,97	9,32	14:24	3:01
20/03/2010	17:40	LU8EEM	FF95GD	-34,85417	-61,45833	-25,03	9,73	14:40	3:00
20/03/2010	17:43	LU5FCI	FF98OI	-31,64583	-60,79167	-21,84	10,47	14:46	2:57
20/03/2010	18:00	9Z4BM	FK90GG	10,27083	-61,45833	20,07	11,28	15:00	3:00
20/03/2010	21:13	PU2CQQ	GG66RK	-23,56250	-46,54167	-14,50	24,22	19:13	2:00
20/03/2010	21:13	PY7XAF	HI22NE	-7,81250	-34,87500	0,15	36,94	20:00	1:13
24/03/2010	18:04	KP4EIT	FK68SI	18,35417	-66,45834	28,29	6,21	14:44	3:20
24/03/2010	18:55	TN5SM	JI75PR	-4,27083	15,29167	-3,77	86,81	21:02	2:07
24/03/2010	18:58	5N7M	JJ39SB	9,06250	7,54167	10,69	81,48	20:34	1:36
25/03/2010	18:40	PP5XX	GG53QW	-26,06250	-48,62500	-16,86	22,07	16:31	2:09
01/04/2010	16:15	LU1DMA	GF05PH	-34,68750	-58,70833	-24,95	12,23	13:26	2:49
01/04/2010	16:20	LU6DLB	GF05PH	-34,68750	-58,70833	-24,95	12,23	13:31	2:49
01/04/2010	16:24	LU8EMH	FF94BE	-35,81250	-61,87500	-25,97	9,32	13:22	3:02
01/04/2010	16:31	CX5CR	FF82HH	-37,68750	-63,37500	-27,81	7,91	13:23	3:08
01/04/2010	16:31	LW3EX	GF05RL	-34,52083	-58,54167	-24,79	12,39	13:42	2:49
01/04/2010	17:21	LU5CAB	GF05SJ	-34,60417	-58,45833	-24,88	12,46	14:33	2:48
01/04/2010	17:22	LU8ADX	GF05HJ	-34,60417	-59,37500	-24,84	11,63	14:30	2:52

Tabla 3.4. Hora solar local y coordenadas geomagnéticas de las estaciones contactadas por EA8BPX.

3.2. Análisis estadístico.

En este apartado se aplica un análisis estadístico a los logs de los contactos, prestando atención a tres parámetros: acimut y distancia desde las Islas Canarias y distribución horaria.

3.2.1. Distribución acimut-distancia.

En la figura 3.3 se muestra la distribución acimut-distancia de los contactos de EA8DD.

Fig 3.3. Distribución acimut-distancia de los contactos de EA8DD desde las Islas Canarias.

En la figura 3.4 se muestra la distribución acimut-distancia de los contactos de EA8BPX.

Fig 3.4. Distribución acimut-distancia de los contactos de EA8BPX desde las Islas Canarias.

Finalmente, en la figura 3.5 se muestra la distribución global acimut-distancia, considerando todos los contactos de ambas estaciones.

Fig 3.5. Distribución global acimut-distancia de todos los contactos desde las Islas Canarias.

Pueden apreciarse cuatro grandes grupos de contactos, que denominaremos de la siguiente forma:

QSO 4200: estaciones contactadas a una distancia de alrededor de 4200 km, con un acimut de unos 212º, en torno a un punto medio de coordenadas geográficas 5,27ºS-35,85ºW y coordenadas geomagnéticas 2,98ºN-36,57ºE y una diferencia de hora solar local de 1:17 con las Islas Canarias.
QSO 6400: estaciones contactadas a una distancia de alrededor de 6400 km, con un acimut de unos 212º, en torno a un punto medio de coordenadas geográficas 23,37ºS-46,07ºW y coordenadas geomagnéticas 14,36ºS-25,41ºE y una diferencia de hora solar local de 3:12 con las Islas Canarias.
QSO 8200: estaciones contactadas a una distancia de alrededor de 8200 km, con un acimut de unos 216º, en torno a un punto medio de coordenadas geográficas 34,83ºS-60,54ºW y coordenadas geomagnéticas 25,04ºS-10,57ºE y una diferencia de hora solar local de 4:07 con las Islas Canarias.
Otros: estaciones contactadas que no se incluyen en ninguno de los tres grupos anteriores.

Los grupos QSO 4200, QSO 6400 y QSO 8200 se encuentran en acimuts de entre aproximadamente 212º-216º desde las Islas Canarias. Las estaciones del grupo "Otros" se encuentran en acimuts completamente distintos.

3.2.2. Distribución horaria.

En la figura 3.6 se muestra la distribución horaria de todos los contactos de ambas estaciones.

Fig 3.6. Distribución horaria de todos los contactos desde las Islas Canarias.

Se observan las ventanas temporales mostradas en la tabla 3.3.

Tabla 3.3. Ventanas horarias de los contactos.

El significado de cada columna de la tabla es el siguiente:

Ventana: número identificativo de la apertura de la banda, que se usará a lo largo del análisis.
Día: día en el que se produjo la apertura.
UTC min/max: franja horaria (UTC) en la que se produjo la apertura.
Minutos: duración total de cada apertura, en minutos.
QSO 4200: número de QSO realizados con estaciones del grupo "QSO 4200".
QSO 6400: número de QSO realizados con estaciones del grupo "QSO 6400".
QSO 8200: número de QSO realizados con estaciones del grupo "QSO 8200".
Otros: número de QSO realizados con estaciones del grupo "Otros".
QSO total: número total de QSO realizados en cada ventana.

Se observa que la duración de cada una de las aperturas osciló desde 5 minutos hasta 1 hora y 33 minutos como máximo.

La ventana 1 tuvo lugar el día 17/03/2010 entre las 22:33-23:05 UTC, con una duración de 32 minutos. Se realizaron contactos con estaciones de los grupos QSO 4200, QSO 6400 y QSO 8200. Se trata de la única ventana en la que se consiguieron contactos con los tres grupos.

La ventana 2 tuvo lugar el día 18/03/2010 entre las 22:49-22:53 UTC, con una duración de tan sólo 4 minutos. Sólo se realizaron contactos con estaciones del grupo QSO 4200.

La ventana 3 tuvo lugar el día 19/03/2010 entre las 21:47-22:55 UTC, con una duración de 1 hora y 8 minutos. Es la ventana en la que se realizaron más contactos, pero solamente con estaciones de los grupos QSO 4200 y QSO 6400.

La ventana 4 tuvo lugar el día 20/03/2010 entre las 18:39-19:14 UTC, con una duración de 35 minutos, siendo la primera apertura de las dos que se produjeron ese día y contactándose estaciones solamente del grupo QSO 8200. Curiosamente, no se registraron contactos con ninguno de los otros grupos más cercanos a las Islas Canarias.

La ventana 5 tuvo lugar el mismo día 20/03/2010, entre las 22:27-22:34 UTC, con una duración de 7 minutos. Se realizaron contactos con estaciones de los grupos QSO 4200 y QSO 6400.

La ventana 6 tuvo lugar el día 21/03/2010, entre las 22:31-22:36 UTC, con una duración de tan sólo 5 minutos y consiguiéndose un único contacto con una estación del grupo QSO 4200.

La ventana 7 tuvo lugar 3 días después, el 24/03/2010 entre las 19:17-20:11 UTC, con una duración de 54 minutos. En esta ventana no se realizaron contactos con ninguno de los grandes grupos indicados, sino solamente con Puerto Rico, Congo y Nigeria, ubicados en acimuts completamente distintos del principal.

La ventana 8 tuvo lugar el día 25/03/2010, entre las 19:52-19:57 UTC, con una duración de sólo 5 minutos y consiguiéndose un único contacto con una estación del grupo QSO 6400.

Finalmente, la ventana 9 tuvo lugar varios días después, el 01/04/2010 entre las 17:25-18:58 UTC, siendo la apertura de más duración con 1 hora y 33 minutos. Se realizaron un total de 9 contactos, todos ellos con estaciones del grupo QSO 8200. Al igual que en el caso de la ventana 4, no se registraron contactos con ninguno de los otros grupos más cercanos a las Islas Canarias.

Reseñar que el equinoccio de primavera tuvo lugar el día 20/03/2010 a las 16:31 UTC.

3.3. Metodología usada en los cálculos.

Actualmente no se dispone de datos técnicos de las estaciones ubicadas en Brasil, por lo que se presupondrán valores idénticos de ganancia de antenas, potencia de RF y sensibilidad a los utilizados por la estación EA8DD.

En los análisis realizados se contemplan varios aspectos como la geometría de los enlaces, el cálculo de los balances de potencia o el cálculo de la máxima frecuencia utilizable a partir de los datos de ionosondas.

Para los hipótesis de los modos simples, los cálculos geométricos se basan en trigonometría, realizando la aproximación de rayos rectos reflejados, no afectados por refracción ni dispersión [Ref.Pellejero].

En el cálculo de los balances de potencia se contemplan las pérdidas en espacio libre determinadas por la ecuación de propagación, realizándose además las siguientes aproximaciones teóricas relativas a las perdidas inherentes a la propagación ionosférica [Ref.Pellejero]:

Primera reflexión ionosférica: 5 dB.
Segunda reflexión ionosférica: 5 dB.
Tercera reflexión ionosférica: 3,5 dB
Cada una de las restantes reflexiones ionosféricas: 2,5 dB.
Cada reflexión en la superficie terrestre: 3,5 dB.

Finalmente, en algunos casos se extrapola la máxima frecuencia utilizable de alguna de las capas de la ionosfera a partir de la frecuencia crítica medida por ionosondas, siguiendo el método también descrito en [Ref.Pellejero].

4. Análisis de las condiciones ionosféricas.

Se han recopilando datos científicos recogidos por varias estaciones de sondeo ionosférico cercanas al Ecuador, con el objetivo de analizar los niveles de ionización en las distintas capas de la ionosfera en las fechas y horas en las que se produjeron los contactos. Se dispone de datos de las estaciones indicadas en la tabla 4.1 y es necesario reseñar que en algunos de los casos la distancia entre la estación de sondeo y el trayecto radioeléctrico es relativamente elevada, lo que puede restar validez a la utilización de sus mediciones en los análisis de propagación para los enlaces bajo estudio. No obstante, pueden ofrecer una idea de las condiciones generales de ionización en latitudes similares.

Ionosonda	País	Código URSI	Latitud	Longitud
Tucumán	Argentina	TUJ2O	26,9ºS	65,4ºW
Fortaleza	Brasil	FZA0M	3,8ºS	38ºW
Sao Luis	Brasil	SAA0K	2,6ºS	44,2ºW
Cachoeira Paulista	Brasil	CAJ2M	23,20ºS	45,8ºW
Isla Ascensión	Reino Unido	AS00Q	7,95ºS	14,4ºW
Kwajalein	Islas Marshall	KJ609	9ºN	167,2ºE

Tabla 4.1. Estaciones de sondeo ionosférico consultadas

Las estaciones de sondeo ionosférico consultadas realizan sondeos verticales cada 10 ó 15 minutos, para medir diversos parámetros de la ionosfera, como la presencia de las distintas capas, sus frecuencias de corte o su espesor.

Cabe destacar que, como cabía esperar por la hora de las mediciones, solamente las primeras muestras de cada día (hasta las 20:40 UTC como máximo) reflejan la presencia de la capa E.

También se han recopilado datos de mediciones del contenido total de electrones (TEC) y mapas de centelleo ionosférico, proporcionados por diversas agencias de estudio del clima espacial.

4.1. Condiciones del clima espacial.

En la tabla 4.2 se muestran los parámetros más significativos del clima espacial en los días en los que se realizaron los contactos (Fuente: Joint USAF/NOAA Solar and Geophysical Activity Summary).

Día	SFI	SSN	Ap	Kp máx	Act. Geomag.
17/03/2010	87	28	7	4	Tranquila
18/03/2010	86	27	5	3	Tranquila
19/03/2010	84	24	4	2	Tranquila
20/03/2010	84	25	7	3	Tranquila
21/03/2010	85	25	2	1	Tranquila
24/03/2010	84	27	3	2	Tranquila
25/03/2010	88	25	5	2	Tranquila
01/04/2010	79	25	12	4	(*)

Tabla 4.2. Parámetros del clima espacial registrados los días de los contactos

(*) El campo geomagnético ha estado predominantemente alterado, con un periodo aislado de tormenta geomagnética mayor en latitudes altas (12:00-15:00 UTC).

A continuación se resume el significado de cada parámetro:

SFI (Solar Flux Index): índice de flujo solar en la banda de 10,7 cm.
SSN (Sunspot Number): número de manchas solares.
Ap, Kp: índices planetarios de actividad geomagnética.
Act.Geomag: observaciones sobre la actividad geomagnética.

Las condiciones fueron típicas de los días del mínimo del ciclo solar en los que no se registró actividad geomagnética relevante.

4.2. Contenido total de electrones (TEC).

La figura 4.1 corresponde a una captura de la gráfica de contenido total de electrones (TEC) facilitada por el centro de predicción de clima espacial (SWPC) de la agencia estadounidense NOAA, correspondiente a las 22:50 UTC del día 18/03/2010. Se ha superpuesto una línea indicando la trayectoria de los enlaces radio bajo estudio.

Fig 4.1. TEC registrado por NOAA (Estados Unidos).

No se dispone de los mapas correspondientes al resto de fechas. En la imagen, en la zona de la trayectoria del enlace radio, se aprecia perfectamente la anomalía ecuatorial: a ambos lados del Ecuador geomagnético el contenido total de electrones es superior que en el propio Ecuador.

4.3. Ionogramas.

Los ionogramas son los resultados gráficos de las mediciones realizadas por estaciones de sondeo ionosférico o ionosondas. Las ionosondas realizan sondeos contínuos de la ionosfera, transmitiendo ondas de radio a diferentes frecuencias de forma perpendicular u oblícua a la superficie terrestre. La detección de las ondas reflejadas y la medición de su tiempo de viaje permiten determinar varios parámetros de la ionosfera, como la presencia de sus distintas capas, su espesor y la frecuencia crítica o de corte de cada capa.

Las ionosondas también permiten detectar irregularidades ionosféricas, como las que se manifiestan en forma de dispersión de alcance (range spread) [Ref.Reinisch].

Se han recopilado datos de las ionosondas de Tucumán (Argentina), Isla Ascensión (Reino Unido), Cachoeira Paulista (Brasil), Fortaleza (Brasil) y Sao Luis (Brasil), de interés por su proximidad a la trayectoria radioeléctrica de los enlaces estudiados (figura 4.2). También se han analizado datos de otras ionosondas cercanas al Ecuador, como la de Kwajalein (Islas Marshall).

Fig 4.2. Estaciones de sondeo ionosférico más cercanas al trayecto radioeléctrico.

Para cada caso, se han tomado datos correspondientes a los días 17/03/2010-22/03/2010, entre las 20:00 UTC y las 23:45 UTC, realizándose los siguientes análisis:

Evolución de las mediciones de las frecuencias de corte de las capas E (foE), esporádica E (foEs) y F2 (foF2) de la ionosfera para incidencia completamente vertical.
Evolución de las mediciones de la altura mínima de las capas E (h'E), esporádica E (h'Es) y F2 (h'F2) de la ionosfera.

Evolución de las predicciones de MUF(3000)F2 para tratar de extrapolar si pudieron darse casos de MUF(F2) > 50 MHz en el trayecto entre las Islas Canarias y Sudamérica. La MUF(3000)F2 es una extrapolación teórica de la MUF a distancias de 3000 km de la ionosonda, que se predice a partir de la foF2 y otros parámetros.

Observaciones de dispersión de alcance, para evaluar si pudieron darse casos de irregularidades que creasen conductos que posibiliten la propagación transecuatorial (TEP).

También se han tomado los datos correspondientes a un margen más amplio, entre los días 05/03/2010-05/04/2010, con el objetivo de tratar de localizar variaciones de interés que caractericen a los días en los que se realizaron los contactos.

Conocida la frecuencia de corte de cada capa de la ionosfera (fo), medida por la ionosonda, mediante la ley de la secante puede determinarse la máxima frecuencia utilizable (MUF) para incidencia oblícua [Ref.Pellejero].

La fig.4.3 muestra la mínima fo que debe registrarse a una determinada altitud para permitir una MUF de 50 MHz trabajando con las antenas apuntando al horizonte y con la hipótesis de rayos rectos.

Fig 4.3. Mínima fo requerida en cada capa para permitir reflexión oblícua con MUF = 50 MHz.

Por tanto, para reflexiones oblicuas a 50 MHz en la capa E, en la capa esporádica E o en la capa F2, las frecuencias de corte medidas por la ionosonda deberán ser:

foE > 8,76 MHz (HE = 100 km).
foEs > 8,76 MHz (HEs = 100 km).
foF2 > 25,22 (HF2 = 300 km).

Ha de tenerse en cuenta que estos valores corresponden a los casos de reflexión pura y que es habitual que, antes de llegar a la situación de reflexión, las ondas de radio comiencen a sufrir refracción, curvándose los rayos. Este fenómeno sucede a frecuencias incluso más bajas que las indicadas.

4.3.1. Ionosonda de Tucumán.

A continuación se muestran los datos recopilados por la estación de sondeo ionosférico ubicada en Tucumán, Argentina (código URSI TUJ2O), en las coordenadas 26,9ºS / 65,4ºW. Las mediciones aquí reflejadas se realizaron entre los días 17 y 22 de marzo de 2010, en la franja horaria comprendida entre las 20:00 UTC y las 23:45 UTC.

En las tablas, las casillas vacías corresponden a fallos de medición o a ausencia de datos. Los valores en rojo indican las fechas y las horas en las que se realizaron los contactos radio.

En la tabla 4.3 se muestran los valores de la frecuencia de corte foF2 de la capa F2 de la ionosfera, medidos por la ionosonda de Tucumán.

Tabla 4.3. Mediciones de foF2 en Tucumán (Argentina).

En la figura 4.4 se muestra la representación gráfica de las mediciones.

Fig.4.4. foF2 registrada en Tucumán (Argentina).

En la figura 4.5, para cada fecha señalada, las líneas rojas indican los valores de foF2 medidos por la ionosonda y las líneas blancas indican el valor de foF2 esperado de acuerdo a la media mensual.

Fig 4.5. Desviación de la foF2 sobre la media mensual en Tucumán.

Se observa que durante los días en los que se produjeron los enlaces radio, a partir de las 17-20 horas UTC y hasta pasadas las 23 horas UTC, los valores de foF2 fueron hasta 3 MHz superiores a la media mensual. Es decir, se dieron condiciones de ionización excepcionales.

En la tabla 4.4 se muestran los valores de predicción de la MUF a distancias de 3000 km con reflexión en la capa F2, denominada MUF(3000)F2, realizada en la estación de Tucumán para esos mismos intervalos horarios.

Tabla 4.4. Predicciones de MUF(3000)F2 en Tucumán.

En la figura 4.6 se muestra la representación gráfica de la predicción.

Fig 4.6. Predicción de MUF(3000)F2 en Tucumán (Argentina).

Se aprecia que la MUF(3000)F2 estuvo por encima de los 50 MHz durante varias horas, los días 17, 19, 20 y 22.

Es necesario tener en cuenta que en los ionogramas de esta estación es dificil distinguir condiciones de dispersión de alcance (range spread), que con toda seguridad se han debido producir, de acuerdo a los datos de otras ionosondas cercanas. En condiciones de dispersión de alcance, las mediciones de la ionosonda podrían tener un porcentaje de error significativo.

4.3.2. Ionosonda de Isla Ascensión.

A continuación se muestran los datos recopilados por la estación de sondeo ionosférico ubicada en la Isla Ascensión (código URSI AS00Q), en las coordenadas 7,95ºS / 14,4ºW. Las mediciones aquí reflejadas se realizaron entre los días 17 y 22 de marzo de 2010, en la franja horaria comprendida entre las 20:00 UTC y las 23:45 UTC.

En la figura 4.7 se muestra la representación gráfica de las mediciones de las frecuencias de corte de la capa F2 (foF2, en rojo), de la capa E (foE, en azul) y de la capa esporádica E (foEs, en amarillo).

Fig.4.7. foF2, foE y foEs registradas en Isla Ascensión (UK).
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En la figura 4.8 se muestra la representación gráfica de las mediciones de las altitudes mínimas de la capa F2 (h'F2, en rojo), de la capa E (h'E, en azul) y de la capa esporádica E (h'Es, en amarillo).

Fig.4.8. h'F2, h'E y h'Es registradas en Isla Ascensión (UK).
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En la figura 4.9 se muestra la representación gráfica de las mediciones de dispersión de alcance (range spread) registradas en la capa F (QF, en rosa) y en la capa E (QE, en azul).

Fig.4.9. QF y QE registradas en Isla Ascensión (UK).
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En la figura 4.10 se muestra un ejemplo de dispersión de alcance, correspondiente al día 19/03/2010 a las 22:30 UTC, hora a la que se produjo uno de los contactos radio.

Fig 4.10. Dispersión de alcance observada en Isla Ascensión.

En la figura 4.11 se muestra la representación gráfica de la predicción de la MUF a distancias de 3000 km con reflexión en la capa F2, denominada MUF(3000)F2, realizada en la estación de Isla Ascensión.

Fig 4.11. Predicción de MUF(3000)F2 en Isla Ascensión.

La MUF(3000)F2 estuvo en todo momento por debajo de 39 MHz. Tanto en el caso de foF2 como en el de MUF(3000)F2, las gráficas siguen una tendencia descendente característica de los efectos de la recombinación de electrones en la ionosfera al caer la noche. Los efectos de la dispersión de alcance no parecen afectar demasiado ni a las mediciones ni a las predicciones.

4.3.3. Ionosonda de Fortaleza.

A continuación se muestran los datos recopilados por la estación de sondeo ionosférico ubicada en Fortaleza, Brasil (código URSI FZA0M), en las coordenadas 3,8ºS / 38ºW. No se dispone de los datos correspondientes al día 17.

En la figura 4.12 se muestra la representación gráfica de las mediciones de las frecuencias de corte de la capa F2 (foF2, en rojo), de la capa E (foE, en azul) y de la capa esporádica E (foEs, en amarillo), registradas por la ionosonda de Fortaleza entre los días 05/03/2010 y 06/04/2010.

Fig 4.12. foF2, foE y foES registradas en Fortaleza (Brasil) - General.
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En la figura 4.13 se muestra el detalle de dichas mediciones entre los días 17/03/2010 y 22/03/2010.

Fig 4.13. foF2, foE y foES registradas en Fortaleza (Brasil) - Detalle.
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Se observa que en ninguna de las horas a las que se produjeron los contactos radio hubo registro de la capa esporádica Es, a no ser que la misma quedase enmascarada por efectos de la dispersión de alcance.

En la figura 4.14 se muestra la representación gráfica de las mediciones de las altitudes mínimas de la capa F2 (h'F2, en rojo), de la capa E (h'E, en azul) y de la capa esporádica E (h'Es, en amarillo), registradas por la ionosonda de Fortaleza entre los días 05/03/2010 y 06/04/2010.

Fig 4.14. h'F2, h'E y h'ES registradas en Fortaleza (Brasil) - General.
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En la figura 4.15 se muestra el detalle de dichas mediciones entre los días 17/03/2010 y 22/03/2010.

Fig 4.15. h'F2, h'E y h'ES registradas en Fortaleza (Brasil) - Detalle.
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En la figura 4.16 se muestra la representación gráfica de las mediciones de dispersión de alcance (range spread) registradas en la capa F (QF, en rosa) y en la capa E (QE, en azul).

Fig.4.16. QF y QE registradas en Fortaleza (Brasil) .
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En la figura 4.17 se muestra un ejemplo de dispersión de alcance, correspondiente al día 19/03/2010 a las 22:30 UTC, hora a la que se produjo uno de los contactos radio.

Fig 4.17. Dispersión de alcance observada en Fortaleza (Brasil)

En la figura 4.18 se muestra la representación gráfica de la predicción de MUF(3000)F2 realizada entre los días 05/03/2010 y 06/04/2010 en la estación de sondeo de Fortaleza.

Fig 4.18. Predicción de MUF(3000)F2 en Fortaleza (Brasil) - General.
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En la figura 4.19 se muestra el detalle de dichas predicciones entre los días 17/03/2010 y 22/03/2010.

Fig 4.19. Predicción de MUF(3000)F2 en Fortaleza (Brasil) - Detalle.
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Finalmente, en la tabla 4.5 se muestra un resumen de los valores máximos de todos los parámetros analizados anteriormente, en cada una de las ventanas horarias en las que se realizaron los contactos (tabla 3.3).

Tabla 4.5. Valores de interés en Fortaleza (Brasil) en las ventanas de los contactos

La MUF(3000)F2 estuvo en todo momento por debajo de 38 MHz. Se observan algunas diferencias entre los datos de esta ionosonda (latitud 3,8ºS) y los de la Isla Ascensión (7,95ºS):

En ausencia de dispersión de alcance, los valores de foF2 son algo más elevados en Fortaleza.
En condiciones de dispersión de alcance, las mediciones de Fortaleza paracen verse mucho más afectadas, presentando grandes variaciones que con toda probabilidad se deben a errores de autoescalado.
No se observa un decremento de la foF2 y de la MUF(3000)F2 con el transcurso del tiempo, hecho probablemente debido a los errores de autoescalado.
La dispersión de alcance se observa unos 30 minutos más tarde en Fortaleza que en Isla Ascensión, hecho que podría deberse a que las irregularidades ionosféricas generadas a unos 10º del Ecuador tardaron ese tiempo en alinearse con el campo magnético terrestre y desplazarse hacia el noroeste, perpendicularmente al Ecuador geomagnético. También podría deberse a irregularidades independientes.

4.3.4. Ionosonda de Sao Luis.

A continuación se muestran los datos recopilados por la estación de sondeo ionosférico ubicada en Sao Luis, Brasil (código URSI SAA0K), en las coordenadas 2,6ºS / 44,2ºW.

En la figura 4.20 se muestra la representación gráfica de las mediciones de las frecuencias de corte de la capa F2 (foF2, en rojo), de la capa E (foE, en azul) y de la capa esporádica E (foEs, en amarillo), registradas por la ionosonda de Sao Luis entre los días 05/03/2010 y 06/04/2010.

Fig 4.20. foF2, foE y foES registradas en Sao Luis (Brasil) - General.
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En la figura 4.21 se muestra el detalle de dichas mediciones entre los días 17/03/2010 y 22/03/2010.

Fig 4.21. foF2, foE y foES registradas en Sao Luis (Brasil) - Detalle.
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En la figura 4.22 se muestra la representación gráfica de las mediciones de las altitudes mínimas de la capa F2 (h'F2, en rojo), de la capa E (h'E, en azul) y de la capa esporádica E (h'Es, en amarillo), registradas por la ionosonda de Sao Luis entre los días 05/03/2010 y 06/04/2010.

Fig 4.22. h'F2, h'E y h'ES registradas en Sao Luis (Brasil) - General.
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En la figura 4.23 se muestra el detalle de dichas mediciones entre los días 17/03/2010 y 22/03/2010.

Fig 4.23. h'F2, h'E y h'ES registradas en Sao Luis (Brasil) - Detalle.
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Se observa presencia de la capa esporádica Es durante casi todas las horas de estudio del día 18 y solamente al principio del intervalo los días 19 y 20. Hay que tener en cuenta que en dicho intervalo durante los días 19 y 20 la ionosonda estuvo sujeta a dispersión de alcance, por lo que las medidas podrían tener errores. La máxima foEs observada es de 5,850 MHz, que aún indicando niveles altos de ionización en la zona, parece insuficiente para reflejar señales de 50 MHz con incidencia oblícua. La capa Es solamente estuvo presente en la hora de uno de los contactos, el día 18 a las 22:50 UTC.

En la figura 4.24 se muestra la representación gráfica de las mediciones de dispersión de alcance (range spread) registradas en la capa F (QF, en rosa) y en la capa E (QE, en azul).

Fig.4.24. QF y QE registradas en Sao Luis (Brasil) .
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En la figura 4.25 se muestra un ejemplo de dispersión de alcance, correspondiente al día 19/03/2010 a las 22:30 UTC, hora a la que se produjo uno de los contactos radio.

Fig 4.25. Dispersión de alcance observada en Sao Luis (Brasil).

En este caso, se observa que la dispersión de alcance tuvo lugar durante el mayor número de horas de todos los casos analizados. Todos los días a partir de las 22:00 UTC las mediciones de foF2 sufren grandes variaciones, probablemente debidas a errores de autoescalado como consecuencia de la dispersión de alcance.

En la figura 4.26 se muestra la representación gráfica de la predicción de MUF(3000)F2 realizada entre los días 05/03/2010 y 06/04/2010 en la estación de sondeo de Sao Luis.

Fig 4.26. Predicción de MUF(3000)F2 en Sao Luis (Brasil) - General.
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En la figura 4.27 se muestra el detalle de dichas predicciones entre los días 17/03/2010 y 22/03/2010.

Fig 4.27. Predicción de MUF(3000)F2 en Sao Luis (Brasil) - Detalle.
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Finalmente, en la tabla 4.6 se muestra un resumen de los valores máximos de todos los parámetros analizados anteriormente, en cada una de las ventanas horarias en las que se realizaron los contactos (tabla 3.3).

Tabla 4.6. Valores de interés en Sao Luis (Brasil) en las ventanas de los contactos

La MUF(3000)F2 predicha estuvo por debajo de los 29 MHz en todas las ventanas.

4.3.5. Ionosonda de Cachoeira Paulista.

A continuación se muestran los datos recopilados por la estación de sondeo ionosférico ubicada en Cachoeira Paulista, Brasil (código URSI CAJ2M), en las coordenadas 23,20ºS / 45,8ºW.

En la figura 4.28 se muestra la representación gráfica de las mediciones de las frecuencias de corte de la capa F2 (foF2, en rojo), de la capa E (foE, en azul) y de la capa esporádica E (foEs, en amarillo), registradas por la ionosonda de Cachoeira Paulista entre los días 05/03/2010 y 06/04/2010.

Fig 4.28. foF2, foE y foES registradas en Cachoeira Paulista (Brasil) - General.
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En la figura 4.29 se muestra el detalle de dichas mediciones entre los días 17/03/2010 y 22/03/2010.

Fig 4.29. foF2, foE y foES registradas en Cachoeira Paulista (Brasil) - Detalle.
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En la figura 4.30 se muestra la representación gráfica de las mediciones de las altitudes mínimas de la capa F2 (h'F2, en rojo), de la capa E (h'E, en azul) y de la capa esporádica E (h'Es, en amarillo), registradas por la ionosonda de Sao Luis entre los días 05/03/2010 y 06/04/2010.

Fig 4.30. h'F2, h'E y h'ES registradas en Cachoeira Paulista (Brasil) - General.
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En la figura 4.31 se muestra el detalle de dichas mediciones entre los días 17/03/2010 y 22/03/2010.

Fig 4.31. h'F2, h'E y h'ES registradas en Cachoeira Paulista (Brasil) - Detalle.
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En la figura 4.32 se muestra la representación gráfica de las mediciones de dispersión de alcance (range spread) registradas en la capa F (QF, en rosa) y en la capa E (QE, en azul).

Fig.4.32. QF y QE registradas en Cachoeira Paulista (Brasil) .
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Se observa que no se produjeron fenómenos de dispersión de alcance durante ninguno de los contactos correspondientes a esas franjas horarias.

En la figura 4.33 se muestra la representación gráfica de la predicción de MUF(3000)F2 realizada entre los días 05/03/2010 y 06/04/2010 en la estación de sondeo de Cachoeira Paulista.

Fig 4.33. Predicción de MUF(3000)F2 en Cachoeira Paulista (Brasil) - General.
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En la figura 4.34 se muestra el detalle de dichas predicciones entre los días 17/03/2010 y 22/03/2010.

Fig 4.34. Predicción de MUF(3000)F2 en Cachoeira Paulista (Brasil) - Detalle.
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Finalmente, en la tabla 4.7 se muestra un resumen de los valores máximos de todos los parámetros analizados anteriormente, en cada una de las ventanas horarias en las que se realizaron los contactos (tabla 3.3).

Tabla 4.7. Valores de interés en Cachoeira Paulista (Brasil) en las ventanas de los contactos

La MUF(3000)F2 predicha estuvo por debajo de los 49 MHz en todas las ventanas.

4.4. Mapas de centelleo ionosférico.

La Agencia Espacial Europea (ESA) mantiene un Servicio de Monitorización del Centelleo Ionosférico, dentro de su Red Europea del Clima Espacial (SWENET).

El centelleo es el fenómeno que sufren las ondas de radio al atravesar regiones de la ionosfera afectadas por irregularidades de distinto tipo, que provocan cambios porcentuales en la densidad de ionización de hasta el 10% y que normalmente causan difracción y dispersión. Este fenómeno afecta principalmente a las comunicaciones vía satélite y por este motivo se monitoriza continuamente a través de redes como la de la ESA, tomando normalmente como referencia las variaciones sufridas por las señales de los satélites de la constelación GPS.

En todos los horarios en los que se produjeron los contactos (tabla 3.3), en la zona de las Islas Cabo Verde el sistema de monitorización detectó un nivel de centelleo alto (puntos rojos en el mapa), pudiendo ser un buen indicador de la presencia de irregularidades ionosféricas en la zona, como las descritas en el apartado 2.2

En la figura 4.35 se muestra el mapa de centelleo correspondiente al 18/03/2010 a las 22:00 UTC.

Fig 4.35. Mapa de centelleo 18/03/2010 22:00 UTC (ESA/SWENET).

En la figura 4.36 se muestra el mapa de centelleo correspondiente al 19/03/2010 a las 22:00 UTC.

Fig 4.36. Mapa de centelleo 19/03/2010 22:00 UTC (ESA/SWENET).

En la figura 4.37 se muestra el mapa de centelleo correspondiente al 20/03/2010 a las 22:00 UTC.

Fig 4.37. Mapa de centelleo 20/03/2010 22:00 UTC (ESA/SWENET).

Finalmente, en la figura 4.38 se muestra el mapa de centelleo correspondiente al 21/03/2010 a las 22:00 UTC.

Fig 4.38. Mapa de centelleo 21/03/2010 22:00 UTC (ESA/SWENET).

5. Hipótesis sobre modos de propagación.

A partir de los datos analizados, pueden extraerse algunas conclusiones sobre los niveles de ionización existentes, que permitirían extrapolar la MUF teórica entre las Islas Canarias y Brasil utilizando una o dos reflexiones en la capa F2 (modos 1F y 2F).

Otra posibilidad se basa en la utilización de la capa E o de la Es esporádica, ya sea a través de un único salto (modos 1E y 1Es) o a través de n saltos (modos nE y nEs).

También podrían darse casos de modos complejos, combinando saltos en las capas F y E. Sería el caso, por ejemplo, de los modos tipo 1F1E o 1E1F.

Finalmente, pueden darse otros casos típicos de propagación transecuatorial, como los modos cordales en la capa F (modo FF), la propagación por conductos formados por burbujas de plasma ecuatorial (EPB) o incluso propagación conducida entre las capas E y F.

La determinación del modo o modos de propagación utilizados en los contactos es una tarea ardua, sobre todo porque no se dispone de datos del retardo, que serían muy significativos para determinar la trayectoria seguida por las ondas. En este apartado se plantean diferentes hipótesis, en función de la información disponible.

5.1. Hipótesis de un sólo salto.

Esta hipótesis se basa en la posibilidad de que los enlaces radio se estableciesen mediante un único salto en alguna capa de la ionosfera, bien mediante reflexión, bien mediante dispersión.

M.Dolukhanov dedica un apartado de su libro "Propagation of Radio Waves" [Ref.Dolukhanov] a la propagación de ondas métricas mediante dispersión ionosférica, modo descubierto por Baily en 1951. Según Dolukhanov, la dispersión puede tener lugar en la capa D de la ionosfera o en la región inferior de la capa E durante la noche, proporcionando enlaces de hasta 2000 km.

5.1.1. Análisis geométrico con rayos rectos.

Para determinar si el enlace fue posible mediante un único salto en la capa E (modo E) o en una posible capa esporádica Es (modo Es), podemos realizar el análisis geométrico del caso Tenerife-Paraíba (4536 km) indicado en la figura 5.1.

Fig 5.1. Geometría de enlace con un único salto.

A = Ubicación del transmisor en Tenerife (Islas Canarias).

S = Proyección del punto de reflexión/dispersión en la ionosfera sobre la superficie terrestre.

dE = Distancia desde el transmisor al punto de reflexión/dispersión en la ionosfera.

HE = Altitud a la que se produce la reflexión/dispersión.

RT = Radio terrestre = 6370 km.

dA = Longitud del arco comprendido entre los puntos A y S.

La otra mitad del enlace sería completamente simétrica a la mostrada en la figura.

Si tenemos en cuenta que la antena del transmisor está apuntando al horizonte, siguiendo la tangente a la superficie terrestre y que la altitud a la que se produce la reflexión/dispersión en la capa E es HE = 150 km, podemos concluir que la reflexión/dispersión tendría lugar en un punto a unos 200 km al norte de las Islas Cabo Verde, con coordenadas 17,25ºN, 23,52ºW, que se muestra en la figura 5.2.

Fig 5.2. Punto teórico de reflexión a una altitud de 150 km.

Este punto se encuentra a 1370 km de Tenerife (Islas Canarias) y a 3166 km de Paraíba (Brasil). La reflexión o la difracción directa hacia Paraíba sería imposible, ya que quedaría por debajo de la tangente terrestre trazada en Paraíba, es decir, oculta por la propia curvatura de la Tierra, a no ser que se diesen casos extraordinarios de refracción troposférica. Por tanto, es muy poco probable que el enlace se estableciese mediante un modo E o un modo Es.

Siguiendo con los cálculos mostrados en la figura 5.1, podemos determinar a partir de qué altitud el rayo reflejado o disperso sí podría alcanzar a Paraíba al tener visibilidad directa, resultando ser HE = 425 km, es decir, un posible modo F. La reflexión/dispersión tendría lugar justo en la mitad de la trayectoria entre Tenerife y Paraíba, en un punto sobre el Atlántico con coordenadas 9,73ºN, 27,16ºW (fig.5.3). El modo de propagación F para frecuencias de hasta unos 50 MHz ha sido descrito por algunos autores [Ref.Morgan], indicando que el mismo se ve favorecido durante los picos diurnos de ionización, en zonas de reflexión ionosférica ubicadas en latitudes bajas y durante los años de gran actividad solar.

Fig 5.3. Punto teórico de reflexión a una altitud de 425 km.

5.1.2. Análisis con BeamFinder.

Parece más lógico que una reflexión en la capa F se produzca a una altitud de unos HE = 300 km. Considerando esta geometría, la zona en la que se encuentran las estaciones contactadas quedaría fuera de la zona de cobertura prevista para un sólo salto, tal y como puede apreciarse en el mapa de la figura 5.4, elaborado con el programa BeamFinder [Ref.BeamFinder].

Fig 5.4. Zonas de cobertura de los modos 1F y 2F calculadas con BeamFinder (cortesía Volker Grassmann, DF5AI).

5.1.3. Modelo de ionosfera parabólica.

En 1990 se realizó un estudio [Ref.Rappaport] para tratar de justificar que algunos enlaces del Servicio de Radioaficionados en la banda de 50 MHz con distancias entre 4.200-6.500 km y de hasta 10.000 km podrían haberse realizado a través de uno o dos saltos en la capa F2 de la ionosfera, describiendo las posibles geometrías mediante el uso del modelo parabólico de la ionosfera. En la fig. 5.x se muestran los resultados para una densidad máxima de electrones libres de 3E+12 y diferentes semiespesores de la parábola modelo (150 km, 200 km y 250 km).

Fig 5.x. Distancias de enlace en 50 MHz en función del ángulo de despegue
(modelo de Rappaport et Al).

Las diferentes curvas se corresponden con distintas soluciones alcanzadas con modelos numéricos. En el eje de ordenadas se muestra la distancia de enlace y en el de abscisas el ángulo de despegue en las antenas. Para las circunstancias evaluadas, se observa que con ángulos de despegue de entre 1º y 3º son posibles distancias de enlace que se corresponden con los grupos QSO 4200, QSO 6400 y QSO 8200 descritos en nuestro análisis. No obstante, hay que aclarar que no se dispone de datos de ionosondas en la zona estimada de reflexión ionosférica que permitan extrapolar los datos de la gráfica a nuestro estudio.

5.1.4. Dispersión en zonas regulares de ionización.

Otra posibilidad de propagación relacionada con la capa F es la de dispersión en zonas regulares de ionización [Ref.Morgan]. Ya desde la década de los años 50 se observaron comunicaciones del Servicio de Radioaficionados en el rango 50-54 MHz, en zonas ecuatoriales durante los meses del equinoccio y tras la puesta del Sol, con distancias de enlace comprendidas entre 2.000-7.500 km. En estas circunstancias, los niveles de señal observados fueron bastante débiles.

5.1.5. Balance de potencias.

Desde el punto de vista del balance de potencias, para HE = 425 km tendríamos un trayecto radio total de 4645 km. Considerando solamente las pérdidas en espacio libre, el margen de desvanecimiento resultante sería de MF = 47,78 dB, que parecería suficiente para posibilitar este modo.

5.1.6. Condiciones ionosféricas.

Si consideramos el caso de HE = 425 km, no parece probable que se haya dado un fenómeno de reflexión a esa altitud, ya que este hecho suele producirse a altitudes más bajas. Además, aunque el enlace sea geométricamente posible, las predicciones de MUF(3000)F2 de las distintas ionosondas estudiadas no hacen pensar que la MUF entre las Islas Canarias y Brasil haya alcanzado los 50 MHz.

La geometría del enlace podría ser incluso distinta y no seguir la línea recta entre Tenerife y Paraíba. En la franja horaria
en la que se produjeron los contactos, es decir, al anochecer, en la región de la ionosfera comprendida en longitudes cercanas a ambos puntos es de esperar que la densidad de ionización sea mayor hacia el Oste que hacia el Este y que en las zonas más al Este la capa F sea más elevada y menos densa en su parte inferior, por efecto de la recombinación. La perspectiva general sería la de una capa F inclinada hacia el Oeste, que podría hacer de pantalla permitiendo reflexiones hacia el Este, de forma similar a algunos estudios de propagación transecuatorial realizados en la banda de HF [Ref.Maruyama]. Es decir, otra posible trayectoría sería la reflexión en una parte de la capa F ubicada más al Oeste de Paraíba, aunque habría que tener en cuenta la pérdida de ganancia de las antenas en esa dirección en el cálculo del balance de potencias.

5.1.7. Discusión.

Aspectos a favor de la hipótesis de un sólo salto:

Usando la hipótesis de rayos rectos, el modo F es geométricamente posible si la reflexión/dispersión se produce a una altitud de más de 425 km.
El balance de potencias del modo F, considerando solamente las pérdidas en espacio libre y reflexión en la altitud de 425 km, arroja un margen de desvanecimiento de 47,78 dB, que parece suficiente para permitir el enlace.
Con el modelo de ionosférica parabólica, otros estudios justifican que en la banda de 50 MHz pueden conseguirse distancias de enlace similares a las descritas en este análisis, empleando un único salto en la capa F2 de la ionosfera.

Durante los meses en torno a los equinoccios y al anochecer, pueden darse casos de dispersión de las ondas de radio de la parte baja de VHF en zonas regulares de ionización en la capa F de la ionosfera, que también posibilitarían los enlaces.

Aspectos en contra de la hipótesis de un sólo salto:

Los modos E y Es son geométricamente imposibles.
La hipótesis del modo F con rayos rectos es poco fiable, dado que es poco probable que se produzca reflexión/dispersión a altitudes de más de 425 km.
Observando los valores de MUF(3000)F2 predichos por las distintas ionosondas, parece poco probable que la MUF entre Canarias y Brasil alcanzase los 50 MHz para reflexiones en la capa F2.

5.2. Hipótesis 2F.

Esta hipótesis se basa en la posibilidad de que los enlaces con Paraíba se estableciesen mediante un doble salto en la capa F de la ionosfera.

5.2.1. Análisis geométrico.

En la figura 5.5 se muestra la hipótesis del enlace por doble reflexión ionosférica en la capa F2, también denominado 2F.

Fig 5.5. Esquema de un enlace radio 2F.

A partir del esquema de la figura 5.6 puede calcularse la longitud total del trayecto radioeléctrico.

Fig 5.6. Geometría de enlace con dos saltos.

A = Ubicación del transmisor en Tenerife (Islas Canarias).

B = Ubicación del receptor en Paraíba (Brasil).

S = Punto medio de la trayectoria transmisor/receptor por la superficie terrestre.

dA = Longitud del arco comprendido entre los puntos A y S.

dC = Longitud de la cuerda comprendida entre los puntos A y S.

RT = Radio terrestre = 6370 km.

HF = Altitud a la que se produce la reflexión.

dF = Distancia desde el transmisor al primer punto de reflexión en la ionosfera.

La trayectoria radioeléctrica total es por tanto 4 x dF. Si consideramos que la reflexión en la capa F se produce a una altitud HF = 230 km y que la distancia entre los puntos A y B es de 4536 km, dicha trayectoria tendría una longitud de 4701 km.

La proyección sobre la superficie terrestre de los distintos puntos de reflexión resultantes se muestra en la figura 5.7.

Fig 5.7. Puntos de reflexión para el modo 2F.

La primera reflexión ionosférica se produciría a una latitud de 19º y la segunda a una latitud de 1º, prácticamente sobre el propio Ecuador.

Si centramos una altitud de reflexión HF = 300 km, el análisis realizado con el programa BeamFinder [Ref.BeamFinder] muestra que las estaciones más al noreste de Brasil quedarían en la zona de sombra comprendida entre el primer y el segundo salto, como puede observarse en el mapa de la figura 5.4.

5.2.2. Balance de potencias.

Si la trayectoria radioeléctrica tiene una longitud total de 4701 km, considerando solamente pérdidas de propagación en el espacio libre, se dispondría de un margen de desvanecimiento MF =47,83 dB.

No obstante, el ángulo de despegue necesario para esta geometría resulta ser de 16 grados, por lo que si las antenas están apuntando al horizonte es de esperar que su ganancia sea algo menor en ese ángulo, lo que implicaría unas pérdidas adicionales de unos 6 dB en dicho margen. Si las antenas no están apuntadas en el acimut correcto, las pérdidas serían incluso mayores, por lo que el margen de desvanecimiento podría llegar a ser demasiado ajustado.

5.2.3. Condiciones ionosféricas.

La primera aproximación consistió en utilizar un software de cálculos de propagación (W6ELProp) para realizar una simulación de la MUF entre Tenerife y Paraíba, con los parámetros correspondientes a los días de estudio. Los resultados se muestran en la figura 5.8.

Fig 5.8. MUF Tenerife-Paraíba calculada con W6ELProp.

Como puede observarse, la MUF calculada no supera en ningún momento los 33 MHz, no alcanzando a la banda de 50 MHz.

Se utilizó además el mapa de Proplab proporcionado por Solar Terrestrial Dispatch, que permite el cálculo aproximado de la MUF para enlaces radio de trayectos superiores a 3000 km. En la figura 5.9 se muestra el mapa correspondiente a las 21:55 UTC del 21/03/2010.

Fig 5.9. Mapa de Proplab para el cálculo de MUF / Proplab map used to calculate MUFs

El cálculo de MUF con el mapa de Proplab arrojó valores en ningún caso superiores a 36 MHz.

Por estos dos motivos y considerando además que estamos atravesando un mínimo en el ciclo solar (SSN=33), inicialmente se descartó el modo de propagación 2F.

No obstante, al consultarse los datos de la ionosonda de Tucumán (Argentina), se observó que la predicción de MUF(3000)F2 alcanza valores superiores a los 50 MHz en las franjas horarias donde se realizaron algunos de los contactos (ver fig.4.5), luego es posible que sí se tratase de propagación por reflexión en la capa F2. Hay que tener en cuenta que la ionosonda está en Argentina, no en Brasil. Por otro lado, al tratarse de contactos de más de 3000 km, es posible que la MUF fuese incluso algo mayor, lo que apoyaría la teoría del modo 2F.

En el caso de las otras ionosondas más cercanas al trayecto radioeléctrico, en Fortaleza la MUF(3000)F2 no pasó de 40 MHz y la de Sao Luis no pasó de 36 MHz en los instantes en los que no estaban sometidas a dispersión de alcance, es decir, durante las mediciones cercanas a las 20:00 UTC. Es de esperar que conforme avanzaron las horas, la MUF(3000)F2 fuese más baja, al disminuir la fotoionización y aumentar la recombinación.

Respecto a los puntos de reflexión en la ionosfera, el primer punto está próximo a la cresta de densidad de ionización debida a la anomalía ecuatorial, pero el segundo se encuentra en el mínimo entre crestas. Aunque la reflexión de una onda de 50 MHz se produjera en el primer punto, algo ya de por sí dudoso por la situación temporal en el ciclo solar y por la hora del día, sería mucho menos probable que se produjera en el segundo punto.

5.2.4. Discusión.

Aspectos a favor de la hipótesis 2F:

La MUF(3000)F2 predicha por una ionosonda relativamente cercana en Tucumán (Argentina) mostró valores superiores a 50 MHz en las fechas de los contactos.

Aspectos en contra de la hipótesis 2F:

Es muy probable que la ionosonda de Tucumán estuviese sometida a fenómenos de extensión de alcance (range spread), por lo que las mediciones y las predicciones estarían sujetas a un error significativo.
La MUF entre Tenerife y Paraíba predicha con W6ELProp no supera en ningún momento los 33 MHz.
La MUF entre Tenerife y Paraíba predicha con Proplab no supera en ningún momento los 36 MHz.
La MUF(3000)F2 predicha en las estaciones de sondeo de Fortaleza y Sao Luis siempre estuvo por debajo de 40 MHz y 36 MHz, respectivamente.
El margen de desvanecimiento podría ser insuficiente si las antenas no tuviesen un apuntamiento perfecto, tanto en acimut como en elevación.
La segunda reflexión ionosférica se produciría sobre el propio Ecuador, donde existe un mínimo de ionización debido a la anomalía ecuatorial.

5.3. Hipótesis de modos complejos.

Los modos de propagación complejos son aquellos en los que se producen reflexiones o refracciones en distintas capas de la ionosfera. En nuestro caso, existiría cierta probabilidad de ocurrencia de alguno de los siguientes:

Modo 1F1E: primer salto usando la capa F y segundo salto usando la capa E.
Modo 1E1F: primer salto usando la capa E y segundo salto usando la capa F
Mismos modos anteriores pero usando la capa esporádica Es en lugar de la capa E.

5.3.1. Condiciones ionosféricas.

Debido a lo avanzado de la hora de los contactos, es de esperar que la recombinación de electrones en la ionosfera haya empezado y que la capa E esté desapareciendo, algo que queda comprobado en las mediciones de las ionosondas. Por tanto, los modos 1F1E y 1E1F quedarían descartados.

Respecto a la utilización de la capa esporádica Es, las mediciones de las ionosondas más cercanas al trayecto radioeléctrico (Fortaleza y Sao Luis), reflejan la presencia de esta capa durante algunas horas del día, aunque solamente hay coincidencia horaria con uno de los contactos realizados. Por otro lado, aunque los niveles de la frecuencia de corte foEs de dicha capa son elevados, presentando máximos de hasta 5,850 MHz (figs. 4.12 y 4.20), no está claro que pudieran permitir la reflexión de una onda de radio de 50 MHz con incidencia oblícua.

No obstante, la zona donde se produciría la segunda reflexión ionosférica en un supuesto modo 1F1Es está algo alejada de las ionosondas, por lo que no ha de descartarse el caso de una capa esporádica Es sobre el Atlántico con suficiente densidad de ionización como para permitir la reflexión a 50 MHz.

Respecto al posible modo 1Es1F, no se dispone de información sobre la posible formación de una capa esporádica entre las Islas Canarias y las Islas Cabo Verde. Al tratarse de la zona de la anomalía ecuatorial, con alta densidad de ionización, si se diese ese caso es probable que la foEs fuese incluso mayor que la registrada por las ionosondas de Brasil, aunque es imposible predecir si suficiente para permitir la propagación a 50 MHz. En cualquier caso, el segundo caso se produciría en la capa F en una zona mucho más próxima al Ecuador, donde la densidad de ionización es mucho menor y probablemente insuficiente para permitir la propagación de ondas de esa frecuencia, en la situación actual de mínimo solar.

5.3.2. Discusión.

Aspectos a favor de las hipótesis de modos complejos:

La posible aparición, no contrastada, de una capa esporádica Es entre las Islas Canarias y las Islas Cabo Verde pudo propiciar un modo 1Es1F, siempre y cuando su densidad de ionización fuese lo suficientemente alta.
La posible aparición, no contrastada, de una capa esporádica Es sobre el Atlántico al noreste de Brasil, pudo propiciar un modo 1F1Es, siempre y cuando su densidad de ionización fuese lo suficientemente alta.

Aspectos en contra de las hipótesis de modos complejos:

La capa E ya había desaparecido a la hora de los contactos, descartando los modos 1F1E y 1E1F.
Se dispone de datos de una capa esporádica Es registrada por las ionosondas de Fortaleza y Sao Luis, en Brasil, que parece no tener densidad de ionización suficiente para reflejar ondas de radio de 50 MHz con incidencia oblícua.
El modo 1Es1F no parece probable al producirse la segunda reflexión en un punto muy cercano al Ecuador, donde debido a la anomalía ecuatorial la densidad de ionización es más baja de lo esperado respecto a latitudes cercanas, sobre todo en épocas de mínimo solar.

5.4. Hipótesis eTEP.

Teniendo en cuenta la hora y la fecha de los contactos, una de las hipótesis más favorables podría ser la de propagación transecuatorial vespertina (eTEP). Todos los contactos se realizaron entre las 21:50 GMT y las 22:53 GMT (GMT era la hora de las Islas Canarias en ese momento), en el mismo día o en días cercanos al equinoccio de primavera, que parece ser uno de los aspectos más favorables para la aparición de modos TEP.

5.4.1. Introducción a los modos TEP.

Existen dos modos de propagación transecuatorial. El primero, conocido como TEP de mediodía o aTEP, se da a primera hora de la tarde, en condiciones de máxima ionización [Ref.Yeh]. Como vimos en el apartado 2.1, como consecuencia de la anomalía ecuatorial el máximo de ionización no se produce en la región de la ionosfera sobre el Ecuador, sino a latitudes de entre 10º y 20º. Si la densidad de ionización es muy alta, normalmente en torno al máximo del ciclo solar, en estas crestas se puede producir la refracción de ondas de radio de VHF, como se muestra en la figura 5.10. Si la refracción se produce en ambas crestas, se posibilitan enlaces radio transecuatoriales de muy larga distancia en las bandas indicadas. Este modo es del tipo cordal y también se denomina modo FF.

Fig 5.10. Esquema de un enlace radio aTEP (FF).

Los contactos radio se produjeron entre las 21:50 UTC y las 22:53 UTC, por lo que no se debieron a este fenómeno de aTEP. En cambio, sí corresponden con el horario en el que se produce otro fenómeno de propagación transecuatorial, denominado TEP vespertina o eTEP.

Como vimos en el apartado 2.2, a última hora de la tarde, en la zona ecuatorial y a latitudes bajas se producen irregularidades alineadas con el campo geomagnético (FAI o Field Aligned Irregularities). Debido a los procesos dinámicos resultantes del inicio de la recombinación al atardecer, se forman nubes de ionización irregular que van creciendo y propagándose en sentido ascendente, hasta desaparecer en torno a las 03:00 AM. Estas nubes se alinean con el campo magnético terrestre y de este hecho reciben su nombre. Las discontinuidades de densidad de ionización entre las zonas con nubes de este tipo y zonas menos ionizadas provocan la refracción e incluso la propagación de las ondas de radio a través de conductos, aumentando de esta forma su alcance, como se muestra en la figura 5.11.

Fig 5.11. Esquema de un enlace radio eTEP.

En la figura 5.12 se muestran las ocurrencias de EPB registradas en el periodo comprendido entre los años 1989 y 2000 [Ref.Burke]. En el eje de abscisas se indica la longitud geográfica y en el de ordenadas el día del año. El número de EPB observadas se especifica con un código de colores. En nuestro caso, nos movemos en longitudes comprendidas entre los 324º (Paraíba) y los 344º (Islas Canarias), entre los días 77 (17/03/2010) y 81 (21/03/2010), es decir, con una probabilidad de aparición de EPB media/alta desde un punto de vista estadístico.

Fig 5.12. Distribución Día-Longitud del número de EPB observadas entre 1989 y 2000.

Estos conductos, por tanto, presentan una alineación Norte-Sur magnético (perpendiculares al Ecuador magnético) con una desviación máxima de unos 15º.

5.4.2. Geometría del enlace.

La peculiaridad de los enlaces radio estudiados es que el ángulo de la trayectoria radioeléctrica con la dirección geomagnética Norte-Sur no está dentro de los límites esperados, tal y como se muestra en la figura 5.13.

Fig 5.13. Ángulo del trayecto radioeléctrico con el N-S geomagnético.

En la figura se representan con una línea blanca la trayectoria radioeléctrica entre Tenerife y Paraíba, con una rejilla roja el sistema de coordenadas geográficas y con una rejilla amarilla (líneas delgadas) el sistema de coordenadas geomagnéticas.

Se observa que el ángulo formado por la trayectoria radioeléctrica y los meridianos geomagnéticos es de 35º en Paraíba y de 42º en las Islas Canarias, en ambos casos mucho mayor que los 15º teóricos normalmente aceptados para propagación por TEP [Ref.TRP] [Ref.Harrison]. Este es uno de los hechos más interesantes sobre estos contactos.

5.4.3. Condiciones ionosféricas.

Respecto a la formación de burbujas de plasma ecuatorial (EPB), el análisis de los ionogramas de Isla Ascensión (fig.4.9), Fortaleza (fig.4.16) y Sao Luis (fig.4.24) revela la existencia de dispersión de alcance en casi todas las horas a las que se realizaron los contactos, fenómeno indicador de la presencia de irregularidades ionosféricas en la parte meridional de la trayectoria radioeléctrica, muy probablemente alineadas con el campo geomagnético (FAI). En la parte septentrional no se dispone de datos de ionosondas, pero los mapas de centelleo (fig.4.35-38) revelan la existencia de centelleo al sur de las Islas Canarias durante las horas de los contactos.

Por tanto, puede asegurarse con bastante fiabilidad que en las horas de los contactos existieron irregularidades ionosféricas probablemente debidas a EPB, que pudieron terminar formando conductos que permitiesen la propagación de ondas de radio de 50 MHz a grandes distancias a través del Ecuador.

No obstante, lo normal es que estos conductos estén alineados o casi alineados con las líneas N-S del campo geomagnético (fig.2.2), por lo que la trayectoria radioeléctrica no cuadraría con la orientación de los conductos, a no ser que se produjese algún otro tipo de fenómeno adicional que provocase la aparición de ramificaciones oblícuas a la dirección N-S. Otra posibilidad es la creación de conductos entre distintas EPB que posibilitasen la geometría del trayecto radioeléctrico. Como se indicó en el apartado 4.1, el campo geomagnético terrestre estaba tranquilo y no hubo eventos de tormentas de radiación solar.

Por otro lado, la formación de estos conductos es más típìca de épocas del máximo del ciclo solar y en el momento de los contactos nos encontrábamos en el mínimo (SSN=24-28), aunque es cierto que durante esos días parece que se registraron valores de ionización superiores a los medios, que se reflejan además en las mediciones de foF2 y foEs, así como en las predicciones de MUF(3000)F2.

Otra posibilidad de propagación es la de la dispersión (scattering) en las propias burbujas de plasma ecuatorial, tal y como se sugiere en otros estudios como el de la recepción de señales de TV lejanas en Japón en la banda de 47.5-52.2 MHz [Ref.Takano].

5.5. Hipótesis 2E/3E/4E.

La hipótesis 2E/3E/4E ha surgido a raíz de un análisis realizado por DF5AI con el programa BeamFinder [Ref.BeamFinder]. Según esta hipótesis, los enlaces habrían podido producirse a través de dos, tres y cuatro reflexiones en la capa E de la ionosfera, o en su defecto en capas E esporádicas.

5.5.1. Análisis geométrico.

Al hacer los cálculos con BeamFinder para reflexiones múltiples en la capa E o en posibles capas esporádicas Es ubicadas a 105 km de altitud, se obtuvieron los resultados que se muestran en la figura 5.14.

Fig 5.14. Zonas de cobertura de los modos 2E y 3E calculadas con BeamFinder (cortesía Volker Grassmann, DF5AI).

Las cuadrículas coloreadas en azul corresponden a las zonas de cobertura con dos saltos (2E) y con tres saltos (3E) en la capa E o en la capa Es, desde las Islas Canarias. La concordancia con los emplazamientos de las estaciones en Brasil es sorprendente (fig.3.1). Si extrapolamos los resultados a un posible modo con cuatro saltos (4E), en la zona de cobertura también se incluirían las estaciones contactadas en Uruguay y Argentina.

En lo referente a las reflexiones sobre la superficie terrestre y de acuerdo al mapa de la fig.5.14, se observa lo siguiente para cada uno de los tres puntos de reflexión hasta completar el modo 4E:

La primera reflexión terrestre se produciría en el Océano Atlántico, al suroeste de las Islas Cabo Verde. Es decir, con una conductividad eléctrica excelente.

La segunda reflexión terrestre se produciría en la costa noreste de Brasil, en torno a los emplazamientos de PT7TT, PT7ZAP, PY0FF, PR7AR y PY7XAF (fig.5.15). La línea blanca que cruza en diagonal es la trayectoria radioeléctrica entre Tenerife y Buenos Aires. Podemos deducir que también se produce reflexión en el propio Océano Atlántico, es decir, con muy buena conductividad eléctrica.

Fig 5.15. Zona de reflexión terrestre del segundo salto en los modos 2E/3E/4E.

La tercera reflexión terrestre se produciría en el interior de Brasil, en una zona en torno a los emplazamientos de PP1CZ, PY1ZV, PY2MAJ, PY2REK, PP5XX y PY5EW. En la fig 5.16 se muestra un detalle de la zona obtenido con Google Earth, en el que que han superpuesto polígonos azules señalando las masas de agua más significativas: Río Iguazú, Lago Itaipu, Río Paraná, Pantano de Xavantes, Pantano de Jurumirim, Pantano de Barra de Bonita y Pantano de Promissao. La línea blanca que cruza en diagonal es la trayectoria radioeléctrica entre Tenerife y Buenos Aires. En la zona existen suficientes masas de agua dulce como para hacernos pensar que se pudo producir la reflexión terrestre sin problemas.

Fig 5.16. Zona de reflexión terrestre del tercer salto en los modos 3E/4E.

En lo referente a las reflexiones ionosféricas, se producirían, aproximadamente, en regiones en torno a los siguientes puntos:

1ª reflexión ionosférica: 19.192151°N, 22.833109°W
2ª reflexión ionosférica: 1.091503°N, 33.750451°W
3ª reflexión ionosférica: 16.702532°S, 44.583789°W
4ª reflexión ionosférica: 33.935501°S, 57.607773°W

5.5.2. Balance de potencias.

Desde el punto de vista del balance de potencias y tomando como referencia los cálculos geométricos mostrados en la Fig 5.1, el trayecto radioeléctrico tendría las siguientes longitudes (HE = 105 km):

Modo 2E: 4645 km.
Modo 3E: 6968 km.
Modo 4E: 9290 km.

Si calculamos el margen de desvanecimiento tras las pérdidas en espacio libre (apartado 3), resulta ser:

Modo 2E: MF(2E) = 47,93 dB.
Modo 3E: MF(3E) = 44,41 dB.
Modo 4E: MF(4E) = 41,91 dB.

Es decir, en todos los casos parece ser suficiente para permitir los modos de propagación.

5.5.3. Condiciones ionosféricas.

Como ya vimos en el apartado 4, en las mediciones de las ionosondas cercanas al trayecto radioeléctrico solamente las primeras muestras de cada día (hasta las 20:40 UTC como máximo) reflejan la presencia de la capa E y los contactos se realizaron más tarde, por lo que es de esperar que a la hora de los mismos no quedasen rastros de la capa E. No obstante, algunas de esas ionosondas han registrado la presencia de la capa esporádica Es, con valores de frecuencia de corte de hasta foEs = 5,900 MHz, es decir, bastante elevados. Por tanto, no debe descartarse la posibilidad de aparición de la capa esporádica Es al menos en 4 zonas para permitir el modo 2E/3E/4E, con densidad de ionización suficiente para trabajar en la banda de 50 MHz.

5.5.4. Discusión.

Aspectos a favor de la hipótesis 2E/3E/4E:

La geometría de los enlaces cuadra perfectamente con las ubicaciones de las estaciones contactadas
El balance de potencias arroja márgenes de desvanecimiento suficientes para permitir los modos.
En el transcurso de los contactos no se apreciaron variaciones de señal asociadas al centelleo.
Se registró la aparición de la capa esporádica Es en zonas relativamente cercanas al trayecto radioeléctrico.

Aspectos en contra de la hipótesis 2E/3E/4E:

La capa E había desaparecido completamente en el horario en el que tuvieron lugar los contactos.

7. Referencias.

[Ref.TRP]
"Transequatorial Radio Propagation".
IPS Radio and Space Services (Australia).

[Ref.Harrison]
"Evening transequatorial VHF propagation".
R. Harrison.

[Ref.Dolukhanov]
"Propagation of Radio Waves".
M. Dolukhanov
Ed.Mir, Moscow (1965).

[Ref.Yeh]
"An Investigation of Motions of the Equatorial Anomaly Crest".
K. C. Yeh, S. J. Franke, E. S. Andreeva, V. E. Kunitsyn (2001).

[Ref.Maruyama]
"Equatorial ionospheric disturbance observed through a transequatorial HF propagation experiment".
T. Maruyama and M. Kawamura.
Annales Geophysicae, 24: 1401-1409 (2006).

[Ref.Burke]
"Seasonal-longitudinal variability of equatorial plasma bubbles".
W. J. Burke, C. Y. Huang, L. C. Gentile, and L. Bauer
Annales Geophysicae, 22: 3089-3098 (2004).

[Ref.Reinisch]
"Multistation digisonde observations of equatorial spread F in South America".
B.W. Reinisch, M. Abdu, I. Batista, G. S. Sales, G. Khmyrov, T. A. Bullett, J. Chau, and V. Rios
Annales Geophysicae, 22: 3145-3153 (2004).

[Ref.BeamFinder]
Software de análisis BeamFinder: http://www.beamfinder.net/
Dr. V. Grassmann (DF5AI).

[Ref.Pellejero]
"Geometría y aspectos operativos de los modos simples de propagación ionosférica".
I. Pellejero (EA4FSI)

[Ref.Morgan]
"A Review of VHF Ionospheric Propagation".
Morgan, M.G.
Proceedings of the IRE. Volume: 41 , Issue: 5 (1953). DOI: 10.1109/JRPROC.1953.27439

[Ref.Takano]
"Broadband Observations of Propagation Anomaly of VHF WavesTransmitted from Oversea Broadcasting Stations".
Takano, T.; Sakai, K.; Nagashima, I.; Nakata, H.; Akaike, H.; Ujigawa, S.; Higasa, H.; Shimakura, S.;
IEEE Radio Science Conference, 2004. Proceedings. 2004 Asia-Pacific. DOI: 10.1109/APRASC.2004.1422486

[Ref.Rappaport]
"A Single-hop F2 Propagation Model For Frequencies Above 30 MHz And Path Distances Greater Than 4000 KM".
Rappaport, T.S.; Campbell, R.L.; Pocock, E.;
Geoscience and Remote Sensing Symposium, 1990. IGARSS '90. 'Remote Sensing Science for the Nineties'., 10th Annual Internationa. DOI: 10.1109/IGARSS.1990.688284

8. Glosario.

aTEP: Afternoon TEP. TEP de mediodía.
EPB: Equatorial plasma bubbles. Burbujas de plasma ecuatorial.
EEJ: Equatorial electrojet.
eTEP: Evening TEP. TEP vespertina.
foF2: F2 layer critical frequency. Frecuencia crítica de la capa F2.
FAI: Field Aligned Irregularities. Irregularidades alineadas con el campo magnético.
MUF: Maximum Usable Frequency. Máxima frecuencia utilizable.
MUF(3000)F2: Prediction of the MUF for distances of 3000 km. Predicción de MUF a 3000 km.
PCA: Polar Cap Absorption. Absorción en casquetes polares.
SFI: Solar Flux Index. Índice de flujo solar.
SSN: Sunspot Number. Número de manchas solares.
TEP: Transequatorial Propagation. Propagación transecuatorial.
URSI: Union Radio-Scientifique Internationale. Unión Científica Internacional de Radio.

9. Agradecimientos.

Daniel Díaz (EA8DD) y Avelino Martín (EA8BPX), proporcionaron toda la información técnica sobre sus contactos realizados con Brasil, Argentina y Uruguay.
Alonso Mostazo (EA3EPH), realizó análisis exhaustivos de los ionogramas proporcionados por las estaciones de sondeo ionosférico de la zona próxima al trayecto radioeléctrico.

Dr. Volker Grassmann (DF5AI), proporcionó valiosos datos de su programa BeamFinder y sobre la hipótesis del modo de propagación 2E/3E/4E, así como sobre el contenido de este artículo.

Garth Patterson (IPS Radio and Space Services, Gobierno de Australia), proporcionó información sobre los ionogramas analizados y especialmente sobre los eventos de dispersión de alcance.

Prof. Bodo W. Reinisch (Center for Atmospheric Research, University of Massachusetts Lowell), facilitó el acceso a la base de datos de ionogramas DIDBase.

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Otros recursos

Análisis de los contactos radio entre las Islas Canarias y Sudamérica en la banda de 50 MHz en marzo de 2010

Índice.

1. Introducción.

2. Características de la ionosfera ecuatorial.

2.1. Anomalía ecuatorial.

2.2. Turbulencias y FAI.

3. Información técnica sobre los enlaces radio.

3.1. Logs de contactos.

3.1.1. Contactos de EA8DD.

3.1.2. Contactos de EA8BPX.

3.2. Análisis estadístico.

3.2.1. Distribución acimut-distancia.

3.2.2. Distribución horaria.

3.3. Metodología usada en los cálculos.

4. Análisis de las condiciones ionosféricas.

4.1. Condiciones del clima espacial.

4.2. Contenido total de electrones (TEC).

4.3. Ionogramas.

4.3.1. Ionosonda de Tucumán.

4.3.2. Ionosonda de Isla Ascensión.

4.3.3. Ionosonda de Fortaleza.

4.3.4. Ionosonda de Sao Luis.

4.3.5. Ionosonda de Cachoeira Paulista.

4.4. Mapas de centelleo ionosférico.

5. Hipótesis sobre modos de propagación.

5.1. Hipótesis de un sólo salto.

5.1.1. Análisis geométrico con rayos rectos.

5.1.2. Análisis con BeamFinder.

5.1.3. Modelo de ionosfera parabólica.

5.1.4. Dispersión en zonas regulares de ionización.

5.1.5. Balance de potencias.

5.1.6. Condiciones ionosféricas.

5.1.7. Discusión.

5.2. Hipótesis 2F.

5.2.1. Análisis geométrico.

5.2.2. Balance de potencias.

5.2.3. Condiciones ionosféricas.

5.2.4. Discusión.

5.3. Hipótesis de modos complejos.

5.3.1. Condiciones ionosféricas.

5.4. Hipótesis eTEP.

5.5. Hipótesis 2E/3E/4E.

5.5.1. Análisis geométrico.

5.5.2. Balance de potencias.

5.5.3. Condiciones ionosféricas.

5.5.4. Discusión.

7. Referencias.

8. Glosario.

9. Agradecimientos.