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Lug 21

La propagazione delle onde radio

Le onde elettromagnetiche prodotte dal generatore vengono irradiate dall’antenna nello spazio circostante e si propagano, ovvero si muovono da una parte all’altra con velocità finita, pari nel vuoto a circa 300000 Km/s. Aumentando la distanza dalla sorgente l’onda distribuisce la sua energia su una superficie sempre maggiore, diminuisce quindi di intensità, viene inoltre attenuata dalle particelle presenti nell’atmosfera. Il fenomeno della propagazione segue leggi complesse e presenta caratteristiche differenti a seconda della frequenza dell’onda.I segnali radio in HF si diffondono per onda di terra (diretta) e per onda riflessa e si comportano diversamente da banda a banda seguendo tuttavia una logica generale.

La ricezione a breve distanza è dovuta all’onda diretta. L’onda diretta si propaga parallelamente al suolo, seguendo quindi la curvatura del globo terrestre, ma la presenza di molteplici ostacoli attenua velocemente l’onda o la riflette. Per poter raggiungere distanze considerevoli sono quindi necessarie potenze di trasmissione elevate. Il parametro principale che determina le distanze raggiungibili è il tipo di superficie che il segnale deve attraversare: deserti, zone aride e secche sono pessime superfici per questo tipo di propagazione non essendo per nulla conduttive; al contrario masse d’acqua e terreni umidi sono ottimi conduttori.

La ricezione a grande distanza è assicurata dalla riflessione delle onde da parte della ionosfera. La ionosfera è una parte dell’atmosfera di altezza dal suolo compresa tra circa 50 e 400 Km. E’ costituita da strati man mano più rarefatti di gas, a causa delle radiazioni provenienti dal sole e dal cosmo gli elettroni vengono estratti dagli atomi, si ha la costituzione di ioni positivi ed elettroni, dato poi che il numero non è elevato è difficile che uno ione incontri un elettrone libero in modo da ricostituire un atomo neutro, per tale motivo la ionizzazione persiste per un certo tempo, anche in assenza di radiazione solare. Gli strati che compongono la ionosfera cambiano dal giorno alla notte. Di giorno si formano 4 strati: D (50-90 Km), E (90-130 Km), F1 (130-250 Km), F2 (250-400 Km). Di notte gli strati D ed E scompaiono mentre gli strati F1 ed F2 si fondono a formare un unico strato F (350 Km). Vi è poi la possibilità sia di giorno che di notte che si formi uno strato molto ionizzato, di comparsa casuale, detto E sporadico (100 Km); tale strato ha presenza aleatoria e sporadica, pare che la sua ionizzazione sia dovuta a meteoriti e fenomeni cosmici. Lo strato D può raggiungere una densità massima di 10 miliardi di elettroni per metro cubo a quote tra 50 e 90 Km, questo strato non ha, a causa di tale bassa densità elettronica, grande rilevanza per la riflessione delle onde, mentre ha notevole importanza nell’assorbimento delle stesse. Lo strato E raggiunge una concentrazione di 100 miliardi di elettroni per metro cubo intorno ai 110 Km di altezza. Lo strato F1 ha una concentrazione dell’ordine di 200 miliardi di elettroni per metro cubo, lo strato F2 ha una concentrazione di elettroni che è generalmente la più densa arrivando a valori di 1000 miliardi di elettroni a metro cubo.

A seconda della frequenza dell’onda gli strati ionosferici si comportano in maniera diversa. Le frequenze più basse, al di sotto della LUF(frequenza minima utilizzabile) subiscono fenomeni di assorbimento. Salendo di frequenza si ha la rifrazione delle onde ad opera degli strati inferiori, man mano che l’onda raggiunge parti maggiormente ionizzate viene respinta verso quelle che lo sono meno, tale sequenza di rifrazioni comporta un ripiegamento dell’onda che viene così riflessa verso la superficie terrestre, dalla quale, se la potenza è sufficiente, può nuovamente rimbalzare verso la ionosfera e così via. Su frequenze più elevate gli strati inferiori operano una attenuazione per assorbimento parziale, mentre gli strati più alti rifraggono l’onda. Al di sopra della MUF (frequenza massima utilizzabile) anche lo strato F2 viene attraversato e le onde si perdono nello spazio. Si definisce poi la FVC (frequenza critica verticale), la frequenza massima che trasmessa verticalmente viene riflessa al suolo. Le frequenze appena citate possono poi essere determinate strato per strato e su varie distanze, in paricolare si definisce laMUF 1000MUF 1500MUF 3000 (misurate rispettivamente a 1000, 1500 e 3000 Km).

Lo skip, distanza raggiunta dai segnali, nel caso della riflessione dipende dallo strato in causa e dall’angolo di incidenza dell’onda, può raggiungere i 4000 Km nel caso dello strato F2 e 2000 Km nel caso dello strato E. La zona compresa tra l’area di diffusione dell’onda diretta e quella raggiunta dall’onda riflessa dalla ionosfera non riceve i segnali trasmessi e viene chiamata zona d’ombra. In generale maggiore è la frequenza utilizzata tanto maggiore è la distanza che può essere coperta; più basso è l’angolo di irradiazione sull’orizzonte maggiore è lo skip ottenibile.

La scomparsa degli strati ionizzati è legata ai tempi di ricombinazione e ai valori di ionizzazione, la radiazione solare è massima alle grandi altezze e diminuisce col penetrare verso la superficie terrestre, la densità dei gas è invece maggiore alle quote basse e al suo aumentare i tempi di ricombinazione diminuiscono. Pertanto lo strato D scompare rapidamente dopo il tramonto, lo strato E se ne va nelle ore notturne,gli strati più in alto, F1 ed F2, sono quelli maggiormente ionizzati, ciò spiega pertanto la loro persistenza, sotto forma di un unico strato, anche nelle ore notturne. L’anomalia diurna consiste nel fatto che il massimo della concentrazione elettronica dello strato F2 si produce spesso un’ora dopo il mezzogiorno solare, in genere tra le 13 e le 15 ora locale; si notano poi altre due variazioni durante il giorno, i cui massimi si collocano intorno alle ore 10-11 locali e tra le ore 22-23 locali.

Con il cambiare delle stagioni la radiazione solare passa dal valore massimo dell’estate a quello minimo dell’inverno. In estate si ha l’incremento dei valori della MUF e della FCV, gli strati sono fortemente ionizzati, ciò comporta l’apertura delle bande alte e l’attenuazione di giorno, ad opera degli strati D ed E fortemente ionizzati, di quelle più basse. In autunno e primavera si realizzano condizioni intermedie. In inverno data la minore intensità dei raggi solari gli strati sono poco ionizzati, F1 ed F2 si formano ad altitudini leggermente inferiori a quelle estive e lo strato F2 risulta essere meno spesso. In generale maggiore è l’incidenza del sole su una data zona, più elevata sarà la ionizzazione. Tuttavia in inverno si verifica quella che viene detta anomalia invernale: nelle ore centrali della giornata la concentrazione raggiunge valori molto elevati, superiore a quelli estivi, per poi cadere velocemente al tramonto; ciò accade soprattutto nello strato D tra i 70 e 90 Km e nello strato F2 dell’emisfero Nord, intorno alle ore 12 locali. Una possibile spiegazione è data dalla minore temperatura invernale che fa si che l’atmosfera si comprima più in basso, offrendo alle radiazioni solari strati d’aria meno rarefatti. Lo strato E sporadico è più frequente nei mesi da maggio a settembre nelle ore di luce e con minor frequenza nelle ore notturne e durante l’inverno.

Le condizioni di insolazione della fascia equatoriale determinano su tale regione ionizzazione elevata durante tutto l’anno, ciò determina propagazione sulla lunga distanza verso sud (se siamo in Italia), detta propagazione transequatoriale. Al contrario le basse condizioni di insolazione sulle alte latitudini derterminano una ionizzazione di scarsa entità, che ha i valori minimi ai poli dove si hanno le caratteristiche dipropagazione transpolare; inoltre le emissioni corpuscolate del sole creano ai poli condizioni particolari, come le aurore boreali che possono influenzare positivamente la propagazione via nord. Durante perturbazioni geomagnetiche la densità elettronica dello strato D tra 75 e 90 Km tende a rinforzarsi alle latitudini subaurorali ed inferiori. L’anomalia equatoriale consiste nel fatto che nelle zone comprese tra 20 e 30 gradi , sia a Nord che a Sud dell’equatore, l’influenza della distanza zenitale del sole sulla concentrazione elettronica dello strato F2 è notevolmente diversa da quella che ci si aspetta. Nelle latitudini elevate vi è poi una depressione della concentrazione di tale strato, associata alla caduta di particelle di alto valore energetico; ciò è dovuto alle linee di forza della magnetosfera e si estende su 2-10 gradi in direzione dell’equatore, subito dopo l’ovale aurorale, da mezzoggiorno a tutta la notte. Al contrario degli altri strati della ionosfera lo strato E sporadico compare frequentemente alle alte latitudini. Il campo magnetico terrestre determina anch’esso alcune variazioni fra le condizioni di ionizzazione delle differenti aree della terra.

Variazioni con l’attività solare

L’attività solare segue un ciclo di circa undici anni con una intensità di radiazione che ha un andamento a campana, salendo da un minimo ad un massimo per scendere nuovamente. Il flusso solare è in relazione poi con il numero di macchie solari visibili dalla terra. Questo viene indicato facendo uso del numeri di Wolf R, dato dalla formula 10g + t, con g numero di gruppi e t numero di macchie; infatti queste formazioni si presentano spesso riunite a gruppi. Il sole ruota sul suo asse nel corso di 27 giorni, pertanto il numero delle macchie può variare notevolmente da giorno a giorno se la loro distribuzione non è uniforme. La concentrazione elettronica degli strati è massima al massimo del ciclo solare. Nell’arco della sua variazione si hanno scostamenti della MUF dell’ordine del 30%. L’influenza dell’attività solare sulla concentrazione elettronica dello strato D si differenzia alle diverse altezze: fra 70 e 90 Km i raggi X di origine solare sono la principale fonte di ionizzazione; al di sotto dei 70 Km le radiazioni più attive sono quelle cosmiche e la concentrazione massima si presenta pertanto quando l’attività solare è al suo minimo, cioè quando la dispersione interplanetaria dei raggi cosmici di origine galattica tende a ridursi.

Fonte: Diego Rispoli