Como ou por que as ondas de rádio refletem a ionosfera?

Quando a onda electromagnética (ou sinal de rádio) se propaga no plasma, os electrões livres oscilam dependendo da frequência da onda devido à alteração do campo eléctrico da onda. À medida que os elétrons oscilam eles devolvem parte da energia na forma de onda eletromagnética com uma freqüência da oscilação e este é o mecanismo da reflexão ionosférica que você menciona. Então a pergunta "Como as ondas de rádio são refletidas na ionosfera?" é melhor do que a sua formulação "Como as ondas de rádio refletem a ionosfera?". (embora possamos usar as ondas para estudar a ionosfera para que você esteja de certa forma correto).

Agora com mais detalhes. Você pode pular seguindo dois parágrafos introdutórios, mas acho que pode lhe interessar de qualquer forma.

A ionosfera é normalmente definida como "a parte da atmosfera que influencia significativamente a propagação de ondas eletromagnéticas (EM)". Isto significa mudança de caminho e velocidade, reflexão ou atraso do sinal eletromagnético. Por que isso está acontecendo? Primeiro, algum fundo para a ionosfera. A ionosfera é uma mistura de partículas neutras (ou seja, moléculas como O2, N2, NO e átomos como O, Ar, H), e partículas ionizadas, como íons positivos O2+, N2+, N0+, e cargas negativas - elétrons - resultantes da ionização por meio de (principalmente) EUV solar e raios cósmicos. Essa mistura de partículas neutras e partículas ionizadas é chamada de plasma. A quantidade, ou concentração, de partículas positivas ionizadas e elétrons negativos está em volume suficientemente grande aproximadamente o mesmo que chamamos de quasineutralidade (aproximadamente neutro eletricamente em um grande volume) que é uma das condições para um estado de matéria que você quer chamar de plasma.

As partículas neutras não são importantes para nossa explicação nem são necessárias para estar presentes no plasma para chamá-lo de plasma (na verdade, a maior parte do plasma no Universo consiste apenas de íons e elétrons). Na verdade, a relação entre partículas neutras e partículas ionizadas muda rapidamente de cerca de 1000.000/1 ou muito mais na parte inferior da ionosfera para cerca de 10.000 na altura máxima de ionização (normalmente cerca de 250 - 300 km acima do solo) e se for mais alto as partículas ionizadas tornam-se mais abundantes do que as partículas neutras. A densidade de elétrons diminui, porém, se você for acima de 250-300 km. Praticamente todas as partículas são ionizadas a uma grande distância da Terra. Grandes diferenças em diferentes alturas e ainda lhe chamamos plasma. No entanto, as partículas neutras são importantes para a dinâmica ionosférica porque influenciam fortemente o comportamento das partículas ionizadas e dos electrões através de colisões e isso significa que não podemos negligenciá-las. Por exemplo, elas podem alterar a concentração de partículas ionizadas, que é um valor de importância crucial para a sua pergunta, como mostro mais adiante.

>p>Agora para a sua pergunta (modificada): O que está acontecendo quando a onda eletromagnética se propaga através de um meio com partículas ionizadas? Na verdade, o efeito mais pronunciado causado pela ionosfera foi o reflexo das ondas de rádio na ionosfera, como provado no ano 1901 por Marconi e mencionado por você. A onda EM transmitida se propaga para cima através da atmosfera neutra sem problemas graves (sim, estou simplificando demais aqui), mas em cerca de 50 km (dia) - 80 km (noite) o número de partículas ionizadas torna-se tão alto que elas começam a influenciar significativamente a onda EM (lembra-se da definição da ionosfera?). Quando a onda eletromagnética (ou sinal de rádio) se propaga no plasma (a ionosfera é plasma), os elétrons livres começam a oscilar dependendo da freqüência da onda. Se a freqüência for baixa, os elétrons oscilam lentamente, ressonando com a freqüência do sinal. Os elétrons devolvem, ou emitem, parte da energia com a mesma freqüência que os força. Este é o reflexo do mecanismo que você quer entender. Você pode imaginar que se a freqüência é alta, os elétrons tendem a seguir essa alta freqüência e "se movem para frente e para trás" muito rapidamente. Entretanto, quando a freqüência é tão alta que os elétrons não são capazes de acompanhar a onda EM, a onda pode atravessar o plasma e a reflexão não funciona aqui. É necessário dizer que a freqüência máxima que o plasma ainda pode refletir (ou, mais precisamente, a freqüência do plasma) é influenciada apenas pela densidade de elétrons do plasma. Quanto mais elétrons em um cm cúbico, maior a freqüência que o plasma pode refletir porque mais elétrons significam maiores forças repulsivas entre eles e assim os elétrons são capazes de oscilar com maior freqüência.

Freqüências típicas do plasma na ionosfera na concentração máxima de elétrons são cerca de 6-12 MHz, dependendo do dia, da estação, da fase do ciclo solar, da localização na Terra, e assim por diante. Então significa que se você enviar uma onda diretamente para cima com uma freqüência maior que 12 MHz, ela não reflete e escapa para o espaço sideral. O sinal com frequência inferior à frequência plasma máxima real pode ser refletido na ionosfera (novamente, não estou discutindo a atenuação de algumas frequências e outros problemas). Mas você pode refletir a freqüência deixe dizer 15 MHz se você a transmitir não verticalmente, mas com algum ângulo e isso é chamado de reflexão oblíqua. Então você não será capaz de ouvir as freqüências VHF de transmissão típica de rádio FM a longa distância, mas você pode detectar ondas longas, médias e curtas a longa distância no horizonte. A ionosfera também pode afetar sinais com freqüências muito mais altas, por exemplo, retarda a propagação dos sistemas GNSS/global de navegação por satélite (Galileo, GPS, Glonass, BeiDou etc.) e precisamos remover os erros ionosféricos para obter uma posição precisa.

Se você tem alguma pergunta que pode fazer aqui (há muitas coisas que eu pulei e não está de fato "nos detalhes do DEEP" mas espero ter explicado as coisas mais importantes).