¿Hasta dónde pueden alejarse del Sol las ondas electromagnéticas de frecuencia extra baja?

Hay dos puntos a considerar. Uno es si las ondas se reflejan desde la superficie (o en cualquier interfaz entre capas con diferentes propiedades eléctricas) y segundo, qué tan lejos pueden propagarse las ondas una vez dentro de un medio parcialmente conductor.

La transmisión de una determinada frecuencia a un medio es aproximadamente proporcional a su impedancia. A su vez, la impedancia es proporcional a$\sqrt{f/\sigma}$, dónde$\sigma$es la conductividad del medio. Por lo tanto, las frecuencias bajas no ayudan necesariamente si la conductividad es alta. La profundidad de penetración de la onda en un buen conductor es aproximadamente proporcional a$\sqrt{1/\sigma f}$, por lo que las bajas frecuencias y la baja conductividad conducen a una mayor penetración.

La conductividad de la "tierra" (suelo típico), puede ser del orden de 0,01 S/m. El agua de mar es más conductiva, alrededor de 5 S/m.

El hecho de que actúen como buenos conductores está determinado por la proporción$\sigma/2\pi \epsilon_0 f$. Tomando$f=3-30$Hz, vemos que tanto el suelo como el agua de mar son excelentes conductores a estas frecuencias.

En esas circunstancias, la fracción de transmisión de amplitud es aproximadamente

$$t \simeq \frac{2\eta}{377},$$ donde 377 ohmios es la impedancia de vacío y$\eta \simeq \sqrt{2\pi f \mu_0/\sigma}$es la impedancia del medio. Entonces, la fracción de transmisión es mucho menor que el 1 por ciento para estos dos materiales.

Una vez en el medio, la señal se desvanece exponencialmente, con una profundidad de penetración (donde esa amplitud cae por$1/e$) dado aproximadamente por

$$d = \sqrt {\frac{2}{2\pi f \mu_0 \sigma}}$$ , que es de 1 a 3 km para el suelo y de 40 a 130 m para el agua de mar.

Por lo tanto, mi respuesta sería que la mayoría de las olas se reflejan, pero para aquellas que penetran, la profundidad alcanzada es de unos pocos kilómetros si no en el océano y de unos cientos de metros en el océano (y de hecho ELF se usa para comunicarse con submarinos sumergidos ).

Una segunda parte de su pregunta se refiere a la propagación de ondas a través del espacio. Aquí, el punto relevante es si la frecuencia de la onda está por encima o por debajo de la frecuencia del plasma.

$$\nu_p = \left( \frac{e^2 n_e}{4\pi^2 \epsilon_0 m_e}\right)^{1/2} = 9000 \left(\frac{n_e}{{\rm cm}^{-3}}\right)^{1/2}\ {\rm Hz},$$ dónde$n_e$es la densidad numérica de electrones y$m_e$es la masa del electrón. Si las ondas tienen una frecuencia por debajo de la frecuencia del plasma, se reflejarán.

El valor de$n_e$varía considerablemente de un lugar a otro. En la corona solar, los valores típicos son$n_e \sim 10^{5}$a$10^{6}$cm$^{-3}$. Esto significa que las ondas ELF generadas por el Sol no se propagarán a través del plasma coronal. Además, la densidad de electrones en la ionosfera de la Tierra suele ser del mismo orden de magnitud. Entonces, las ondas ELF del espacio exterior no penetrarán en la ionosfera de la Tierra.

Aunque las ondas ELF se produzcan cerca de la parte superior de la corona, no se propagarán a través del viento solar. La densidad de electrones cae con la distancia al Sol, pero sigue siendo$n_e \sim 100$cm$^{-3}$en la órbita de la Tierra, dando una frecuencia de plasma de 90 kHz.

Solo quiero comentar un punto y esto probablemente no responderá su pregunta por completo. Las frecuencias LF corresponden a longitudes de onda muy grandes, de modo que las ondas LF tienen longitudes de onda que coinciden con la extensión geométrica de la distribución refractiva vertical de la atmósfera. Esto permite que la onda LF viajera se acople a la superficie (no viaja directamente al espacio abierto) y viaja largas distancias casi sin pérdidas. Se observa que viajan dando vueltas y vueltas alrededor del mundo. Por lo tanto, se sabe que la propagación de ondas de baja frecuencia tiene una pequeña pérdida de propagación por este motivo.

Sin embargo, estás hablando de ondas LF que se originan en el Sol en el espacio abierto. Creo que es diferente y no debe asumir que la ventaja del acoplamiento de la guía de ondas de la atmósfera es válida en el espacio. Espero que esto ayude.