Búsqueda

martes, agosto 23, 2005

Comunicaciones bajo tierra y bajo el agua

Carátula de The CoreEn el envío del viernes, dedicado a Ángeles y Demonios y cómo localizar el contenedor de antimateria de forma más rápida, alguien comentó que estando la cámara bajo tierra, no llegaría la señal a los receptores de la Guardia Suiza. Ese detalle me ha hecho recordar dos errores similares en la película The Core, y en la serie de televisión SeaQuest.

Carátula de la banda sonora de SeaQuestEn The Core, los "terranautas" a bordo del vehículo que viaja al núcleo de nuestro planeta, se comunican con la superficie transmitiendo voz sin problemas. En SeaQuest, la cosa va más allá, ya que aunque el submarino esté sumergido, los tripulantes se comunican con el exterior mediante audio y vídeo. Esto es sencillamente imposible, y vamos a ver por qué.

Las ondas electromagnéticas son atenuadas en distinta medida por diferentes materiales, dependiendo de la frecuencia de las mismas. La luz, por ejemplo, se atenua poco con el aire, algo más con el agua, y bastante con cualquier otro material no transparente. Como norma general, la penetración de las ondas electromagnéticas disminuye con la frecuencia (y no seáis mal pensados). Así, el sol y el cielo se vuelven rojos en el atardecer y amanecer, porque la luz debe atravesar una cantidad mucho mayor de aire, y la luz roja (la de menos frecuencia de todas) es la única que nos llega bien.Diagrama que muestra el distinto recorrido de la luz en diferentes momentos del día.

Hay excepciones, como los rayos X, que siendo de frecuencia superior a la luz visible, atraviesan los materiales blandos, pero en la mayoría de casos, se puede decir que disminuyendo la frecuencia, aumentamos la penetración.

Esto también se aplica a las transmisiones de radio. Por la experiencia cotidiana, sabemos que las ondas de radio son capaces de atravesar paredes de ladrillo y piedra, pero hasta cierto grosor. Dentro de un edificio, nuestros móviles tienen cobertura, pero si bajamos a un sótano o aparcamiento subterráneo la perderemos. Tambien sabemos que a las ondas electromagnéticas no se les da bien atravesar el metal. Si nos metemos dentro de un ascensor, en la mayoría de los casos nuestro móvil perderá su cobertura. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas se atenúan muchísimo al intentar atravesar un material conductor de la electricidad, como el metal, o el agua salada.

Bueno, pero eso ya lo sabíamos todos. ¿Para qué tanta explicación? Pues porque como he dicho antes, al disminuir la frecuencia aumenta la profundidad de penetración (de las ondas). Es posible comunicarse mediante una transmisión de radio con alguien dentro de una mina, o a bordo de un submarino, pero deben utilizarse frecuencias muy muy bajas.

Así, en el rango de muy baja frecuencia (VLF, de Very Low Frequency), que se encuentra comprendido entre los 3 y 30 kHz, las ondas electromagnéticas pueden llegar a atravesar unas pocas decenas de metros de agua salada. La situación mejora en el rango de ultra baja frecuencia (ULF), entre 300 y 3.000 Hz, y puede ser utilizado para comunicarse en el interior de minas. Los siguientes rangos son el de super baja frecuencia (SLF), entre 30 y 300 Hz, y el de extremadamente baja frecuencia (ELF), entre 3 y 30 Hz (aunque a veces se considera que el rango ELF llega hasta los 300 Hz, incluyendo así el SLF). En esos rangos, las señales de radio ya pueden atravesar cientos de metros de agua salada y miles de km de roca.

Entonces, ¿lo de The Core y SeaQuest no es un error? Pues sí lo es, porque con frecuencias tan bajas tenemos dos problemas.

El primer problema es la transmisión de datos. La voz humana tiene una frecuencia más alta que el rango de ELF o SLF. De hecho, la señal de voz que utilizan las redes analógicas de telefonía fija, está comprendida entre los 300 y 3.400 Hz. Y ya suena distorsionada. Por debajo de 300 Hz es sencillamente imposible modular una señal de voz, si pretendemos que se transmita en tiempo real. Por eso, en las comunicaciones con un submarino mediante ELF, la transmisión no es de voz, sino que se emiten una serie de símbolos que se interpretan como texto. Carátula de Marea RojaUn ejemplo de esto lo podemos ver en la película Marea Roja. En ella, vemos cómo los mensajes se reciben en un terminal de texto, y además con una lentitud exasperante (como unas pocas letras por segundo, o algo así). Además se hace referencia a la antena de ultra baja frecuencia (en realidad sería extremadamente baja frecuencia, pero no importa demasiado).

El segundo problema es el tamaño de la antena para una transmisión de ELF. Normalmente, para la emisión de ondas electromagnéticas es necesario que la antena sea tan larga como la mitad de la longitud de onda de la señal a emitir. Eso no es problema para un teléfono móvil, ya que en el rango en el que opera (microondas) la longitud de onda es entre 1 y 30 cm. Pero a 300 Hz, la longitud de onda es de 1.000 km. Y a 30 Hz, de 10.000 km. Si es un problema construir antenas de ese tamaño en tierra (el radio de nuestro planeta es de unos 6.400 km), imaginad cómo podría un submarino llevar un pedazo de antena de ese tamaño. De hecho, las antenas ELF se construyen de forma diferente a las convencionales, aprovechando el propio suelo como conductor de electricidad, con enormes electrodos enterrados en la tierra, separados decenas de km de distancia. Esto implica que las comunicaciones con submarinos utilizando ELF, son en un sólo sentido. El mando naval de turno transmite las órdenes y el submarino las recibe, sin posibilidad de responder.

Así pues, si bien es posible una comunicación parcial con submarinos completamente sumergidos, o incluso con vehículos en las inmediaciones del núcleo terrestre, ésta nunca podría ser mediante voz como en The Core, y no digamos ya con video como en SeaQuest. Y siempre teniendo en cuenta que el vehículo no podría transmitir. Sólo recibir.

31 comentarios:

  1. Hola, Alf, me gusta mucho tu blog, aunque a veces me quedo un poco a dos velas (por falta de base por mi parte), pero aprendo mucho.

    De hecho, quería hacerte una pregunta sanguínea: ayer estaba viendo Hospital Central, y hablaban de un tipo de sangre llamado 0 Bombay. Me sonó a invención, ¿tú sabes si existe tal cosa?

    Gracias y de nuevo enhorabuena por tu blog.

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. existir existe....
      http://es.wikipedia.org/wiki/Fenotipo_Bombay

      Eliminar
  2. Alf:
    La razón por la que el cielo al atardecer o amanecer es rojizo, no es la que tú dices. Si el aire retuviera las ondas más cortas de la luz y dejara pasar las largas, el cielo del mediodía sería menos rojizo, acaso casi blanco, nunca azulado. El motivo es un fenómeno que se llama dispersión Rayleigh, por su descubridor. Nunca supe bien de qué se trata esta dispersión, pero creo que está relacionada con fenómenos de difracción y depende de la cantidad de partículas que la luz atraviesa (las partículas serían las moléculas del aire en este caso). Esta dispersión Rayleigh sería también la causa del color azulino del agua en grandes volúmenes. Sería interesante para mí si tú pudieras publicar algo sobre su naturaleza, qué es lo que don Rayleigh descubrió. Desde ya, muchas gracias.
    Ricardo

    ResponderEliminar
  3. Hola. No soy un Alien, pero sí un Cibernauta de Hojalata. Les invito a visitar mi blog.
    Un saludo de hojalata

    ResponderEliminar
  4. El color azul del cielo se debe como tú dices a la dispersión de Rayleigh. Es un fenómeno según el cual la luz va "rebotando" en diferentes partículas, y "dispersándose". La luz azul se dispersa más que la luz verde o roja, y por eso el cielo es azul. Cuando miramos un punto cualquiera del cielo, nuestros ojos reciben luz azul que ha rebotado varias veces. Y por eso el cielo se ve más azul si miramos lejos del sol, pero algo más pálido si miramos cerca de éste.

    El color rojo del sol y el cielo que lo rodea se debe a que al tener que atravesar más cantidad de atmósfera, sólo nos llega directamente la luz roja. Esto se debe a que el resto de la luz (y no sólo la azul) se dispersa. Fíjate que en la puesta de sol, lejos de éste el cielo sigue siendo azul, e incluso a veces, se pueden ver tonos intermedios entre el rojo y el azul (naranja, amarillo, verde).

    Supongo que en el texto del envío se puede interpretar que la luz es "absorbida" de alguna manera al utilizar la palabra "atenuar". Mea culpa, pero sólo buscaba una analogía en la vida cotidiana.

    No estoy seguro de si existe dispersión en el agua. Las grandes masas de agua son azules, no por la dispersión de Rayleigh, sino por que reflejan el azul del cielo. Fíjate que las nubes y la niebla son blancas, y están formadas por partículas de agua.

    Supongo que sí es un buen tema para un envío.

    Más información en:
    http://www.badastronomy.com/bad/misc/blue_sky.html
    http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. pienso que el color azul del cielo,se debe a un gas excitado(puede que sea el hexafluoruro de azufre sf6)...

      Eliminar
  5. >>> hablaban de un tipo de sangre llamado 0 Bombay. Me sonó a invención, ¿tú sabes si existe tal cosa?

    Puen no lo sabía, pero mirando en la wikipedia, aparece. Además de los grupos OAB y el Rh, existen otros grupos, digamos "raros", al menos en occidente, como el Bombay.

    ResponderEliminar
  6. Muchas gracias por el link y por tomarte la molestia.

    ResponderEliminar
  7. El problema de la antena no se puede resolver, así que es una limitación importante. Creo que en comunicaciones subacuáticas es posible usar algo basado en sonar (ondas acústicas). Creo también que algunos submarinos usan frecuencias bajas para comunicarse cerca de la superficie, extendiendo un cable por el agua a modo de antena.

    Para transmitir voz el problema es, en efecto, el ancho de banda. 3kHz (algo más) es el ancho de un canal telefónico, pero es posible transmitir voz inteligible con unos 2 kHz o incluso menos (aunque las 'f' y las 's' se oyen fatal).

    En digital ya hace años que existen codificadores de voz a 2.4 kbps (los vocoders) y desde hace 2 ó 3 años hay codificadores que funcionan a esa tasa con calidad razonable (AMR, el de los móviles, puede hacerlo). Incluso algunos codificadores propietarios trabajan por debajo (1.2 kbps).

    El ancho de banda (kHz) necesario para transmitir 1200 bps depende, básicamente, de la relación señal a ruido de la transmisión. Transmitiendo la potencia de señal suficiente, sería posible conseguir enviar voz a 1200 bps en una banda de 300 Hz. Lo que no creo es que merezca la pena :-)

    Saludos

    h

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Hola.
      Seguramente existen transmisiones radio de voz en submultiplos del Hz, es decir transmisiones de frecuencias por debajo de la unidad, 500 "mili Hz" por ejemplo, 0.5Hz. el problema de la modulacion de voz o video a estas frecuencias es puramente tecnico, modulacion de fase, de frecuencia, de amplitud de quadratura que si 16QAM que si 1024QAM, son parametros restringidos a los civiles, piense que actualmente los receptores en los vehiculos ya pocos llevan LF. los radioamateurs que se dedican a la experimentacion ni siquiera contemplan emitir en frecuencias tan bajas, 1/hz.
      la pelicula que mencionan transmision de video en medios oceanicos fosas marinas o desde el centro de la tierra, es totalmente viable y posible en la actualidad.
      Problemas ??. nuestras redes neuronales funcionas a decenas de Hz, y transmisiones de gran potencia dejarian insconcientes a grandes masas de poblacion, pero a submultiplos del Hz, aparte de la gran penetracion en roca y agua no se que ventajas o inconvenientes habria, no se preocupe por la modulacion, podriamos inventar la modulacion en amplitud cuadratica de fase logaritmica, en todo caso piense que son restricciones por razones meramente militares.

      atte

      Eliminar
  8. Nada, nada, en Sea Quest y en The Core usan láseres de neutrinos ;).

    ResponderEliminar
  9. Gracias, Alf, por tus comentarios y los enlaces a información sobre la dispersión de Rayleigh. Cambiando de tema y pasando a la transmisión ELF, en una película cuyo nombre no recuerdo (actúan Pierce Brosnan y Linda "Sara Connor" Hamilton; trata de una erupción volcánica) hay un emisor ELF que emite una señal destinada a que este pueda ser localizado. El aparato en cuestión tiene el tamaño de una maleta pequeña ¿Dónde tiene la kilométrica antena? ¿Es otro errorcillo de Hollywood?

    ResponderEliminar
  10. La película es "Dante's Peak". No recuerdo lo del aparato ELF, pero si es como dices, es un error como la copa de un pino, desde luego.

    ResponderEliminar
  11. No sé si he entendido mal, pero la frase «la penetración de las ondas electromagnéticas disminuye con la frecuencia» me suena a lo contrario de lo que he entendido en el resto del artículo. Según esa frase, la penetración y la frecuencia son directamente proporcionales, cuando mi conclusión del resto es que cuando disminuye la frecuencia aumenta la penetración (no disminuye con ella).
    Lo digo porque he sacado primero una conclusión y luego me liaba cada vez que se decía lo contrario.

    ResponderEliminar
  12. Ah, otra pregunta, según entiendo de las últimas ideas del artículo, para emitir señal ELF se hace necesaria la antena mediante electrodos repartidos que citas. Sin embargo parece que para recibir la misma señal no hace falta, cuando intuitivamente sospecho que el submarino necesitaría también una antena igual de larga para recibir una señal de la misma longitud de onda. ¿No es así? ¿Para emitir sí pero para recibir no? ¿Acaso el agua modifica la señal o actúa como antena por ser conductora? (No, quita, si hemos dicho que precisamente atenúa la señal).
    Lo que me hace pensar así es que por ejemplo los móviles, la radio, la televisión... los receptores de ondas electromagnéticas que conozco necesitan la antena para recibir la señal.

    Lo que sé a ciencia cierta es que tus artículos incitan a pensar, te felicito ;)

    ResponderEliminar
  13. Con la frase «la penetración de las ondas electromagnéticas disminuye con la frecuencia» pretendía decir que la penetración disminuye cuando aumenta la frecuencia. Supongo que se puede interpretar como que disminuye solidariamente con la frecuencia (es decir, disminuyen juntas), pero no es lo que quería decir.

    Las antenas receptoras no necesitan tener el mismo tamaño que las emisoras. Un ejemplo son las emisiones de AM, que son en onda media o corta, y la longitud de onda es de varios metros. Seguro que alguna vez habéis visto una torre alta metálica delgada, con un cable por dentro y sus correspondientes luces rojas. Es una antena emisora de AM. Pero los receptores de radio que tenemos en casa no necesitan una antena tan grande para recibirla.

    Seguro que Hairanakh puede arrojar algo más de luz, ya que parece que es "teleco" (no recordaba los vocoders, me han traído recuerdos de la universidad :-) ).

    ResponderEliminar
  14. Bueno, recojo el guante :-) Aunque aviso que mi especialidad no es la radio (soy teleco de los de imagen/audio/vídeo digital).

    El funcionamiento de una antena en transmisión y recepción es el mismo, por el principio de reciprocidad. La longitud de una antena tipo monopolo / dipolo (es decir, un mástil clavado en el suelo o la antena de una radio) afecta a la directividad de la antena (en qué direcciones emite/recibe más potencia) y, sobre todo, a la impedancia que, a su vez, está muy relacionada con la eficiencia de la antena.

    Básicamente, para que la potencia generada por el circuito que alimenta a la antena se radie de forma eficiente, circuito y antena tienen que estar en resonancia. Eso es más fácil de conseguir con antenas del tamaño de la longitud de onda que se quiere emitir.

    En transmisión, la adaptación en potencia es muy importante por dos motivos: primero, por aumentar la eficiencia (y reducir el gasto energía) y, después, porque la potencia emitida es muy grande y, cuanto menor sea la eficiencia, mayor será la proporción de potencia que se disipe por efecto Joule.

    En recepción se puede permitir una eficiencia menor para abaratar los equipos. Pero eso es a costa de que las estaciones emisoras de AM transmiten con una potencia MUY elevada. Supongo que en el caso de los submarinos pasará lo mismo.

    ResponderEliminar
  15. Por cierto: como siempre, el artículo de la Wikipedia sobre antenas está muy bien.

    ResponderEliminar
  16. Enhorabuena por tu página, me ha gustado mucho. Respecto a transmisión en submarinos si que es posible. Los ubmarino llevan antenas de cable, que desplegan cerca de superficie y ello les permite transmitir, pero tambien implica ruido al desplegarlas y recojerlas (más posibilidades que submarinos o barcos "enemigos" les detecten) y también afectan a la maniobrabilidad y velocidad que queda muy limitada

    ResponderEliminar
  17. Y ahora pregunto yo: ¿Sería posible modular una señal portadora en la frecuencia de rayos X para la emisión de datos? Un poco salvaje, sí, pero tal vez sería interesante para ciertas comunicaciones bidireccionales muy separadas en el tiempo.

    ResponderEliminar
  18. En teoría, se puede utilizar cualquier frecuencia para modular una señal (incluso las de luz visible, como ocurre con los lásers de comunicaciones). Pero por un lado, la radiación X es muy dañina, y por otro, no veo la utilidad. Los rayos X no lo atraviesan todo. Un ejemplo curioso, es el cristal o el vidrio: aunque son transparentes para la luz visible, son opacos para los rayos X.

    ResponderEliminar
  19. COMO SOY POCO CONOCEDOR DEL TEMA ME FUEE SUFICIENTE PARA MIS NECESIDADES
    TE FELICIITO
    ED

    ResponderEliminar
  20. En relación con la frecuencia VLF, se comenzó a utilizar en los sumergibles alemanes en la segunda mitad de la segunda guerra mundial. Para ello utilizaban la estación que denominaban Goliath, desmontada y trasladada a la URSS tras la contienda. Personalmente sospecho de la recepción de transmisiones en baja frecuencia cuando uno de esos buques se hallaba a escasa profundidad iniciando una inmersión, posterior informe al mando de lo observado, y entonces pruebas con frecuencias "exóticas".
    Para saber más, recomendaría la web u-historia y su foro. Allí fue donde encontré lo de Goliath y sus vicisitudes

    ResponderEliminar
  21. Me ha encantado tu artículo sobre Comunicaciones bajo tierra y bajo el agua.
    Muchas gracias por tus aportaciones.

    ResponderEliminar
  22. Muy bueno el articulo. Me gustaría lanzar una pregunta. De cara al buceo y para localizar el cabo de subida en situaciones de muy baja visibilidad, puedes estar al lado del mismo y no localizarlo. Dispongo de dispositivos de busqeuda de objetos que trabajan en la banda de 492MHz. ¿Serviría esta frecuencia para utilizar esos emisores/receptores para localizar objetos debajo del agua a pocos metros?

    Gracias

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. Pues creo que la atenuación sería demasiado alta. He estado buscando tablas o gráficas, y he encontrado estos dos sitios:
      https://sites.google.com/site/proyectorovsubacuatico/home/sistema-de-comunicaciones/comunicaciones-subacuaticas
      http://www.hindawi.com/journals/ijdsn/2013/508708/

      A 1,8 Mhz, la atenuación es de 46 dB/m. A 10 Mhz, entre 100 y 150 dB/m (dependiendo de la fuente). Aunque la función no es lineal, creo que a 492 Mhz debe ser mayor de 200 dB/m, es decir, la señal se atenua más de 200 dB por cada metro recorrido.

      Eliminar
  23. Tengo una duda, por que es algo que he pensando incorporar en algún futuro relato de ciencia ficción. Cuando Veo Star Wars, y aparecen esas comunicaciones inmediatas entre planetas que se encuentran a mucha distancia unos de otros, me pregunto ¿eso sería posible? si existiera un sistema unido de planetas como la Federación de Star Trek, o la República de Star Wars (que por un corto periodo de tiempo se convirtió en imperio) ¿cómo resolverían el problema de las comunicaciones? y he pesando que la solución podría estar en un fenómeno cuántico tan extraño que Enstein no lo creía posible, y son las partículas entrelazadas, por lo que entiendo este fenómeno aun es bastante extraño para la ciencia moderna, pero se sabe que una vez que dos partículas se han entrelazado, el estado de una se puede pasar a otra de forma inmediata, sin recorrer el espacio intermedio, sin que haya una señal de ningún tipo viajando de un lado a otro, ahora bien, pienso que esto es como el fuego, el hombre de las cavernas conocía los efectos del fuego y sabía como producirlo, pero ciertamente no entendía como o por qué existía, el hombre de las cavernas no sabía nada sobre sobre física, los átomos o como se comportan ciertos gases... pero ahora que sí sabemos que es el fuego y por que existe, nuestra capacidad de producirlo, controlarlo, usarlo es mucho mas avanzada que la de el hombre primitivo, así que pienso que cuando los científicos entienda que es el entrelazamiento de partículas, y entiendan perfectamente como y por que funciona, entonces se podrán ampliar enormemente sus aplicaciones y creo que una de esas aplicaciones será la comunicación, podrían crearse aparatos que enviaran señales de un lado a otro sin que ningún tipo de onda tuviera que recorrer el espacio intermedio entre un punto y el otro, sino que se transmitieran igual que el estado de una partícula se pasa a otra de forma instantánea, de ese modo podría haber una pared de plomo de un año luz de diámetro entre un teléfono y el otro, y aun así se podrían hacer llamadas sin problemas se podrían hablar fluidamente ya que la voz pasaría de un lado a otro de forma inmediata.... pero no sé, tal vez son ideas locas mías.

    ResponderEliminar
    Respuestas
    1. No son ideas locas. El entrelazamiento cuántico se ha observado, y parece capaz de transmitir el estado de una partícula de forma instantánea. Pero por lo que he leído, no sirve para transmitir información. Voy a ver si encuentro el artículo donde lo explicaba, ya que era algo bastante complejo.

      Eliminar
  24. Bueno, como digo al avanzar el tiempo, cuando los científicos entiendan mejor este fenómeno, tal vez se amplíen sus aplicaciones, incluso se dice que hipotéticamente se podría teletransportar un ser humano entrelazando cada una de sus partículas con una cámara llena de partículas que a su vez estuviera entrelazada con otra cámara de partículas en otro lugar, en tal caso estaríamos enviando toda la información del sujeto, su ADN, sus recuerdos, así que aunque no se puedan enviar ondas de radio u otras, si se podría teletransportar materia, hipotéticamente claro, entonces si un aparato grabara tu voz en una cinta por ejemplo y esa cinta se teletransportara a otro lugar y se reprodujera del otro lado ¿no sonaría tu voz en la cinta teletransportada?.

    ResponderEliminar
  25. http://resistencianumantina.blogspot.com.es/2011/06/comunicacion-con-submarinos-la-tierra.html

    ResponderEliminar
  26. ¿Por qué los rayos gamma o rayos X tienen mayor capacidad de penetración que las ondas de radio que tienen menor frecuencia?
    ¿Tienen las ondas diferente comportamiento?
    No siempre se cumple que "a mayor frecuencia, menor poder de penetración de la onda"


    Gracias.

    ResponderEliminar