Propagazione

Ovvero, dove arrivano le trasmissioni radio?

Stiamo facendo un rilassante tour panoramico tra le colline, per radio passano la nostra canzone preferita, tutto sembra perfetto, ma dopo una curva…
La nostra canzone preferita, sul più bello si interrompe.
Al di la delle doverose imprecazioni, andiamo a vedere perché questo succede.

Nelle scorse puntate, abbiamo parlato della suddivisione dello spettro delle onde radio in base alla frequenza.
Ora andiamo a scoprire come e perché le onde radio, a determinate frequenze si comportano in un determinato modo, viaggiando più o meno distanti dal punto di origine.

Abbiamo visto che le onde radio, sono delle radiazioni elettromagnetiche., variazioni ondulatorie di campi elettrici e magnetici che si propagano nello spazio.
Se vogliamo capire come queste onde si propagano, dobbiamo fare un bel salto di 60 km e più in alto!

La terra da circa 400 km di altitudine.

Ionosfera

La ionosfera, è una parte dell’atmosfera terrestre che si estende tra i 60 e i 1000 km di altitudine.
Avvolge l’intero pianeta e pur essendo una fascia di centinaia di km di spessore, è estremamente rarefatta.
La ionosfera, è di fondamentale importanza per le radiocomunicazioni e prende il nome da un fenomeno fisico, la ionizzazione.
Il modo in cui reagisce alla presenza o all’assenza e alla quantità di radiazione solare, influenza la propagazione delle onde radio alle frequenze minori.
I segnali che vanno da 0 a 30 MHz, reagiscono con questo strato e questo consente loro di non uscire dall’atmosfera terrestre per disperdersi nello spazio, ma di seguire la curvatura terrestre.
Per questo, le comunicazioni radio a lungo raggio, si trovano nelle bande delle HF.
La ionosfera, è composta da diversi strati e reagisce, come detto, alla radiazione solare, quindi è influenzata dal ciclo del dì e della notte, dal ciclo delle stagioni e anche dalle tempeste solari, ovvero grandi nuvole di particelle ad alta energia, che ogni tanto il Sole sparpaglia nello spazio, provocando le bellissime aurore polari, ma anche problemi ai satelliti artificiali in orbita e alle radiocomunicazioni in generale.

Ionizzazione

La ionizzazione, è un fenomeno fisico che avviene a livello atomico.
Nel nostro caso gli atomi che compongono gli strati più esterni dell’atmosfera terrestre.
Quando la forte radiazione solare, colpisce ad energie elevate questi atomi, essi vengono privati degli elettroni che quindi sono liberi e non più legati ai nuclei atomici.
La forte rarefazione della ionosfera, fa si che gli elettroni liberi, non trovino con facilità altri nuclei atomici per ricombinarsi, rimanendo quindi svincolati più a lungo rispetto a gli strati più densi a minor altitudine.

da 0 a 30 MHz, il segnale viene riflesso e si propaga a lunghe distanze

La nostra stazione radio, trasmette da terra un segnale da 0 a 30 MHz, esso viaggia per l’atmosfera senza seguire la curvatura terrestre e quindi tendendo verso lo spazio esterno.
A un certo punto, raggiunta la ionosfera, la nostra radiazione elettromagnetica, incontra gli elettroni liberi.
L’interazione tra la nostra onda e gli elettroni, fa si che si generi una nuova onda elettromagnetica contraria, avviene quindi una riflessione del nostro segnale verso la superficie terrestre, consentendo al segnale radio di raggiungere ricevitori molto distanti dal punto di origine.

A frequenze man mano superiori a 30 MHz, il segnale non viene riflesso per mancanza di sufficienti cariche elettriche e viene ricevuto solo dalle stazioni più vicine non oltre l’orizzonte.

Quando andiamo a frequenze superiori ai 30 MHz, l’energia dell’onda elettromagnetica aumenta e per ottenere una riflessione, saranno necessarie molte più cariche elettriche libere.
Se il numero degli elettroni, non è sufficiente, il segnale attraverserà la ionosfera senza essere riflesso e si disperderà nello spazio interplanetario senza poter raggiungere stazioni distanti.
Le stazioni riceventi nel raggio di pochi km, saranno comunque in grado di captare il segnale per via diretta e non riflessa.
I grandi ostacoli, come grandi palazzi o montagne, non vengono superati e impediscono la propagazione del segnale.
Per questo, in auto, quando passiamo da un versante all’altro di una montagna o ci addentriamo nelle vallate, perdiamo il segnale radio.

Strati della ionosfera

Differente composizione della ionosfera tra giorno e notte.
Durante le ore diurne, la maggior radiazione solare, ionizza più strati a diverse altitudini.
Le basse altitudini, permettono una riflessione del segnale a distanze più brevi.
Di notte la ionizzazione residua fa da padrona consentendo collegamenti più distanti

Come detto, la ionosfera reagisce alla presenza o meno delle radiazioni solari.
La presenza o meno del sole, quindi, influisce sulla composizione di questa fascia, creando più strati che variano dal giorno alla notte e con il ciclo delle stagioni e con gli stati di quiete o di particelle solari.

Strato F

Si tratta dello strato più esterno (tra i 130 e i 450 km di altitudine) e anche quello più importante per le radiocomunicazioni in HF.
Di giorno, lo spesso strato si divide in due strati differenti F1 e F2 con caratteristiche diverse tra loro.
Di notte invece, lo strato F risulta il più elettronicamente denso e quindi permette una riflessione maggiore.
Trovandosi ad un’altitudine maggiore, permette alle onde radio di propagarsi a distanze maggiori.

Strato E

Si trova tra i 90 e i 130 km di altitudine ed è uno strato molto meno denso e spesso rispetto allo strato F, verso il tramonto si attenua e scompare quasi del tutto andando verso la notte, soprattutto d’inverno, lasciando solo lo strato F.
Nelle ore diurne, invece, permette una riflessione maggiore fino alle frequenze di 20 MHz ed essendo a minor altitudine rispetto allo strato F, permette collegamenti a distanza minore.

E sporadico

Lo strato E, in determinate circostanze, può presentare delle anomalie.
La condizione di E sporadico (o Es) è rara e consiste in piccole e passeggere nubi di gas estremamente ionizzato alle altitudini dello strato E.
Queste nubi, permettono una temporanea riflessione anche a frequenze maggiori di 30 MHz, cosentendo anche ai segnali alle VHF, di poter essere riflessi e propagati a distanze di migliaia di km.
Un tempo, quando i canali TV erano analogici e viaggiavano sulle VHF, era possibile, quando si manifestava l’Es, captare emittenti televisive di paesi stranieri a centinaia se non migliaia di km di distanza.

Strato D

Lo strato D è quello più interno e ad altitudine minore, si trova infatti tra 60 e 90 km.
Situato in una zona più densa dell’atmosfera, gli elettroni liberi si ricombinano a gli atomi più rapidamente rispetto a gli altri strati ad altitudine maggiore e questo comporta una ionizzazione minore.
Lo strato D, è presente solo nelle ore diurne e non presenta riflettività, ma attenua le onde radio ad una frequenza inferiore ai 3 MHz.
Per questo nelle ore diurne e d’estate, le frequenze minori non sono utilizzabili.

Meteor Scatter

meteor scatter in azione.

Un altro modo per sfruttare la ionizzazione degli strati atmosferici per le frequenze superiori ai 30 MHz, è il meteor scatter.
Quando un detrito spaziale entra ad alta velocità in atmosfera, comprimendo di colpo l’aria davanti a se, genera una grandissima quantità di calore.
Si tratta della classica stella cadente, che brucia nel cielo prima di dissolversi.
Questa grande quantità di energia rilasciata, ionizza l’aria circostante, lasciando una scia che è possibile utilizzare per le comunicazioni radio.
Gli elettroni lasciati liberi, per breve tempo, affollano l’atmosfera ad un’altitudine di circa 80 km, sono in grado di riflettere le onde radio verso il terreno, consentendo ai radioamatori, durante gli sciami meteorici come le Perseidi di Agosto, di poter effettuare collegamenti anche a lunga distanza per brevi periodi di tempo.
Anche alcuni segnali non radioamatoriali possono essere riflessi, è l’esempio del radar francese GRAVES, di cui ho parlato in occasione delle Geminidi di Dicembre,

Troposcatter

E per le frequenze superiori alle VHF?
Nel regno delle microonde, il riflesso, può avvenire a quote ben più basse, nella troposfera.
La troposfera è quella porzione di atmosfera che va dal livello del suolo fino a 10.000-15.000 metri di altitudine.
Questo è lo strato in cui si formano le nuvole e i fenomeni meteorologici che vediamo tutti i giorni.
Le microonde sono influenzate da questi fenomeni, possono riflettersi sulle gocce di umidità presenti nell’aria, consentendo una minima propagazione di parte del segnale.
Questo metodo, era utilizzato dalla NATO, per le comunicazioni strategiche a lungo raggio, tramite una serie di grandi parabole poste a centinaia di km l’una dall’altra.
Oggi, queste stazioni, sono abbandonate e sono meta di interesse per molti amanti delle radio.
In Italia ne abbiamo 18 sparse per tutto il territorio.

Ex Base NATO sul Monte Giogo, al confine tra Emilia e Toscana.
Base di Dosso del Gallo, in provincia di Brescia.

Radar

Il fenomeno della riflessione, è alla base della tecnologia radar.
Le onde radio o le microonde, possono riflettersi sulle superfici metalliche o possono essere assorbite da altri materiali.
Questa riflessione, rispedisce indietro le onde radio, consentendo così di visualizzare la traccia di oggetti come aerei o navi, la conformazione di rilievi montuosi, la mappa delle precipitazioni e addirittura la forma e i dettagli di certi asteroidi che durante la loro orbita, passano particolarmente vicini alla Terra

L’asteroide 2007 PA8, visualizzato dalle gigantesche antenne del GSSR (Goldstone Solar System Radar) in California.

Satelliti e missioni spaziali

Abbiamo dunque visto che le onde radio, a determinate frequenze, riescono a riflettersi su gli strati esterni dell’atmosfera.
Ma le VHF e le microonde che non si riflettono, dove finiscono?
Le trasmissioni radio che non vengono riflesse verso terra dalla ionosfera, continuano il loro viaggio all’esterno, verso lo spazio aperto.
In questo modo, possiamo comunicare con i satelliti in orbita, con le sonde automatiche che esplorano il Sistema Solare e addirittura certi radioamatori, cercano di contattarsi, facendo riflettere il proprio segnale sulla Luna (E.M.E. Earth Moon Earth), ma non è tutto.
Dal 1930/1940 , anni in cui sperimentavamo le prime trasmissioni di immagini e in VHF, l’umanità ha “sparato” nello spazio una grande quantità di segnali.
Essi si propagano nel cosmo alla velocità della luce, perdendo però molta energia e quindi diventando molto deboli.
Idealmente, il nostro debolissimo segnale di trasmissioni radio e TV, ha già raggiunto centinaia di altre stelle e sistemi solari nel nostro “vicinato”.
Su Vega, a circa 25 anni luce dal Sole, si potrebbero rivedere le trasmissioni di 25 anni fa, Aldebaran, a circa 60 anni luce, sta per essere investita dalle prime trasmissioni TV della RAI e così via.
La nostra impronta radio, sta viaggiando nello spazio e nel tempo come testimonianza della nostra piccola presenza in un immenso Universo.

DK3EE spedisce il suo segnale sulla Luna.
La pausa tra la trasmissione e l’eco, è il tempo che impiega il segnale ad andare verso il nostro satellite, rimbalzare e tornare indietro!

Nelle prossime puntate, analizzeremo i modi di trasmissione e il funzionamento di un ricevitore!

Stay Tuned!

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