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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Il ruolo della ionosfera nelle comunicazioni radio a lunga distanza. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / ricezione radiofonica La trasmissione radio su lunghe distanze è possibile solo grazie alla presenza di strati riflettenti nella parte superiore dell'atmosfera terrestre. Questi strati si formano perché i raggi ultravioletti della luce solare scompongono alcune molecole di gas in particelle caricate positivamente – ioni – ed elettroni. Questo processo è chiamato ionizzazione e la regione ionizzata dell'atmosfera è solitamente chiamata ionosfera. Le onde radio, penetrando nella ionosfera, vengono rifratte e, con sufficiente ionizzazione, possono ritornare sulla terra. La Figura 1 mostra tre possibili casi di portare onde radio nella ionosfera, a seconda del grado di ionizzazione. Nel caso "a" la ionizzazione è debole e le onde attraversano lo strato, deviando solo leggermente il loro percorso.
Nel caso "b" la ionizzazione è sufficiente affinché le onde si riflettano e ritornino sulla terra, e infine, nel caso "c" la ionizzazione è così forte che le onde vengono completamente assorbite.
Nella fig. La Figura 2 mostra il percorso di due onde radio con una lunghezza di 20 e 10 metri con un certo grado di ionizzazione. Le onde lunghe 20 metri (linee continue) si riflettono dalla ionosfera e ritornano alla terra, (le onde lunghe 10 metri (linee tratteggiate) vengono piegate solo leggermente dallo strato e vanno nello spazio interplanetario. Anche tutte le onde più lunghe di 20 metri saranno riflessa e onde inferiori a 10 metri penetreranno attraverso la ionosfera. Quanto più bassa è la frequenza trasmessa, maggiore è la probabilità di riflessione e quanto più forte è la ionizzazione nello strato, tanto maggiore sarà ancora la frequenza riflessa da esso. ZONA DI SILENZIO L'angolo con cui le onde radio colpiscono lo strato ionizzato è essenziale. Una zona silenziosa si verifica quando la ionizzazione è insufficiente per riflettere le onde incidenti ad angoli ripidi, ma le onde incidenti ad angoli piccoli verranno comunque riflesse. Come mostrato in Fig. 3, tutte le onde emesse dall'antenna con un angolo maggiore di un certo angolo critico passano attraverso lo strato e le onde emesse con un angolo minore ritornano al suolo.
Prima della zona di silenzio i segnali si sentono a causa delle onde superficiali solo nelle immediate vicinanze del trasmettitore. Si osserva spesso che un raggio incidente sulla Terra nel punto A viene riflesso dalla sua superficie, entra nuovamente nello strato, viene nuovamente riflesso e ritorna sulla Terra nel punto B. Riflessioni doppie, triple e multiple di questo tipo molto spesso si verificano durante la trasmissione ad alte frequenze, soprattutto su lunghe distanze. Nella fig. 3 mostra che il segnale può raggiungere anche il punto B dopo una singola riflessione. Se entrambi i segnali che arrivano al punto B hanno approssimativamente la stessa intensità, può verificarsi un forte sbiadimento dovuto all'interferenza. Dalla larghezza della zona di silenzio, puoi giudicare approssimativamente le condizioni per il passaggio di onde di diverse gamme, ascoltando solo in una di esse. Supponiamo che le stazioni situate a soli 20 km di distanza possano essere ascoltate entro un raggio di 200 metri. Ciò indica che con tale ionizzazione, è probabile che anche i segnali con lunghezze d’onda di 10 metri ritornino sulla terra. È vero, a queste frequenze la zona di silenzio si estenderà probabilmente fino a 2000 km. Se per onde di 20 metri c'è una zona morta molto stretta, per onde di 40 metri non c'è zona di silenzio. Quando la zona del silenzio si estende a lunga distanza, sentiamo solo stazioni lontane. Man mano che la ionizzazione aumenta, si restringerà e inizieranno ad apparire le stazioni vicine. Allo stesso tempo, inizieremo a perdere stazioni lontane per due motivi. In primo luogo, saranno intasati dalle stazioni vicine rumorose e, in secondo luogo, l'elevata ionizzazione provoca l'assorbimento di segnali provenienti da stazioni distanti che viaggiano a lungo in aree ionizzate. Quanto più ampia è la zona morta e quanto maggiore è la frequenza operativa, tanto più probabile è la comunicazione a lunga distanza. Poiché la ionizzazione negli strati superiori dell'atmosfera è causata dalla radiazione solare, le condizioni per il passaggio delle onde corte durante il giorno e la notte saranno nettamente diverse. Consideriamo, ad esempio, un cambiamento nelle condizioni di comunicazione durante una normale giornata invernale. Nelle prime ore del mattino prima dell'alba, la ionizzazione è molto debole. In questo caso la portata dei 10 metri sarà completamente morta, e sui 20 metri potrete sentire solo poche stazioni molto distanti. Tuttavia, per frequenze più basse la ionizzazione sarà sufficiente per il normale funzionamento. Quindi, su onde di 40 metri ci saranno buone condizioni per la comunicazione a lunga distanza, anche le onde di 160 metri passano bene. Al sorgere del sole, la ionizzazione comincia ad aumentare rapidamente e raggiunge il suo massimo nel pomeriggio. Con l'avvicinarsi di mezzogiorno (la zona morta si restringerà su tutte le bande e circa due ore dopo l'alba, la ionizzazione è sufficiente a riflettere le onde nella gamma di 10 metri. Verso mezzogiorno, la gamma di 20 metri sarà riempita con stazioni relativamente vicine e stazioni lunghe -la comunicazione a distanza è possibile a 10 metri in questo momento. Dopo il tramonto, la ionizzazione diminuirà poiché inizierà la riduzione inversa degli atomi e delle molecole neutre. La zona di silenzio si espanderà gradualmente per ogni intervallo. Innanzitutto verrà interrotta la ricezione delle onde di 10 metri, quindi di 20 metri. TEMPESTE MAGNETICHE In alcuni giorni durante la ricezione radiofonica si può osservare che il numero di stazioni amatoriali nella portata è nettamente ridotto rispetto ai giorni normali, tutti i segnali si attenuano notevolmente, molte stazioni costantemente ascoltate scompaiono e nuove stazioni, per lo più distanti, che non sono mai state ricevute prima di apparire. Questi fenomeni sono causati dalle tempeste magnetiche, durante le quali il campo magnetico terrestre, solitamente abbastanza stabile, subisce forti variazioni. Le tempeste magnetiche sono sempre accompagnate da una diminuzione della ionizzazione. Di conseguenza, la zona silenziosa si espande e le condizioni di propagazione notturna possono continuare per tutto il giorno. Durante una tempesta magnetica, le stazioni sulle bande ad alta frequenza solitamente scompaiono molto prima rispetto ai giorni normali. A 20 metri intorno a mezzogiorno ci sono buone condizioni per le comunicazioni a lunga distanza, mentre nei giorni normali in queste ore è possibile lavorare solo a distanze fino a 2000 km. La tempesta magnetica dura da uno a diversi giorni. I disturbi nella ionosfera che si verificano durante questo periodo causano un significativo sbiadimento, accompagnato da molte distorsioni. La comunicazione su brevi distanze è solitamente interrotta e per lavoro è stato necessario passare a onde più lunghe. STRATI RIFLETTENTI E IONIZZAZIONE ANOMALIA La ionosfera è solitamente costituita da diversi strati ionizzati. Di questi, il ruolo più importante nella propagazione delle onde radio è svolto dagli strati E ed F. L'altezza dello strato E sopra la superficie terrestre è di circa 100 km e lo strato F è di 220-240 km. Questi strati non sono assolutamente influenzati dalle condizioni meteorologiche vicino alla superficie terrestre. Durante il giorno lo strato F si divide nei due strati F1 e F2; il primo si trova leggermente più in basso del secondo. Lo strato F2 è ionizzato più fortemente degli strati F1 ed E e svolge un ruolo maggiore nella trasmissione a onde corte. I segnali di frequenza sufficientemente elevata, che penetrano attraverso gli strati E ed F1 moderatamente ionizzati, vengono riflessi dallo strato F2 più fortemente ionizzato , come mostrato in Fig. 4 Per le frequenze più basse lo strato E è importante e la maggior parte delle comunicazioni sui 160 metri sono dovute alla riflessione di questo strato.
Nello strato E, a volte ci sono aree di ionizzazione molto intensa, chiamate strato E anomalo. La ionizzazione anomala dello strato E può verificarsi in qualsiasi momento e la causa è sconosciuta. In caso di ionizzazione anomala, lo strato E può provocare la riflessione delle onde a 5 e 10 metri. Un altro fenomeno anomalo, chiamato effetto Delinger, consiste in una completa interruzione delle comunicazioni a onde corte sulla parte illuminata del globo. La causa dell'effetto Delinger sembra essere un'eruzione solare che provoca un aumento molto elevato della ionizzazione nella parte inferiore della ionosfera. Di conseguenza, le onde radio corte vengono assorbite. In questo momento, a volte è possibile la comunicazione a lunga distanza su onde ultracorte. L'effetto Dellinger può durare diversi minuti o addirittura ore. CAMBIAMENTI STAGIONALI La ionizzazione dello strato F2 raggiunge il suo valore massimo in inverno, con il massimo giornaliero che si verifica nel pomeriggio. Ciò significa che la zona morta più stretta sarà nel pomeriggio di una giornata invernale, momento in cui è possibile una comunicazione affidabile a frequenze molto elevate, ad esempio con onde di 10 metri. In estate la ionizzazione è meno significativa che in inverno e il massimo giornaliero dello strato si sposta verso il tramonto. Pertanto, per onde di 10 metri in estate, la zona di silenzio sarà più ampia e la comunicazione su queste onde potrebbe spesso essere impossibile. Grazie all'aumento della zona di silenzio in estate con onde di 20 e 40 metri, ci si può aspettare condizioni migliori per le comunicazioni a lunga distanza, tuttavia, a distanze di molte migliaia di chilometri, il quadro è complicato dal rapporto tra illuminato e oscurato luoghi del globo. Quando si trasmette attraverso l'equatore, possono prevalere le condizioni estive ad un'estremità del collegamento e le condizioni invernali all'altra. Le migliori condizioni per la comunicazione a lunga distanza si verificano in primavera e all'inizio dell'autunno. Durante i mesi primaverili ed estivi si verificano molti più casi di riflessioni anomale dello strato E. Queste riflessioni possono fornire buone condizioni per le comunicazioni a lunga distanza su 5 e 10 metri in poche ore. Il passaggio dalle condizioni invernali a quelle estive, e viceversa, non avviene in modo fluido. I mesi primaverili e autunnali sono caratterizzati da uno stato instabile della ionosfera. Ciò è particolarmente evidente per i dilettanti che lavorano regolarmente nella banda dei 10 metri. FREQUENZE CRITICHE La frequenza critica è la frequenza più alta che viene ancora riflessa da un dato strato quando il segnale incide sullo strato ad angolo retto. Se un segnale viene riflesso quando incidente ad angolo retto, verrà riflesso anche a tutti gli altri angoli, e quindi non ci sarà zona di silenzio a tutte le frequenze al di sotto di quella critica. Le frequenze critiche indicano il grado di ionizzazione degli strati e possono essere utilizzate per prevedere il “meteo radio”, selezionare le onde più favorevoli per la comunicazione, calcolare la lunghezza della zona di silenzio, ecc. Le misurazioni delle frequenze critiche vengono effettuate nelle stazioni ionosferiche. Ci sono diverse stazioni simili in Unione Sovietica, una di queste nella Baia di Tikhaya, nella Terra di Francesco Giuseppe, è la stazione ionosferica più settentrionale del mondo. Negli ultimi 3-4 anni ci sono state molte più comunicazioni a lunga distanza sulle bande dei 10 e 5 metri rispetto a prima. Ciò si spiega, da un lato, con il forte aumento del numero di radioamatori che operano in queste bande e, dall'altro, con l'effetto del ciclo di 11 anni dell'attività delle macchie solari. La ionizzazione atmosferica è strettamente correlata al numero di macchie solari; maggiore è il numero di macchie osservate durante l'anno, maggiore è il grado di ionizzazione. Le macchie solari sono state per lungo tempo oggetto di osservazione da parte degli astronomi e le registrazioni del loro numero sono state tenute regolarmente dal 1750. Queste registrazioni mostrano che il numero di macchie solari raggiunge solitamente un massimo ogni 11 anni, l'ultimo massimo è stato nel 1939 e nel 1940. negli ultimi cinque anni è aumentato di anno in anno, di conseguenza hanno potuto riflettersi frequenze sempre più alte. Le condizioni per la comunicazione su onde di 10 e 5 metri nell'inverno 1940/41 erano già un po' peggiori di quanto lo fossero in passato. Successivamente, ogni anno, il numero di ore disponibili per le comunicazioni su queste bande diminuirà e l'attività su queste bande raggiungerà il minimo nel 1939 o 40. A questo punto, le condizioni di comunicazione sulla banda dei 1944 metri saranno simili a quelle quelli osservati l'anno scorso sui 1945 metri, e la portata dei 20 metri sarà nuovamente adatta per le comunicazioni a lunga distanza. COMUNICAZIONE LUNGA SU VHF La frequenza delle onde ultracorte è troppo elevata per essere riflessa dallo strato F2. Se si osservano tali riflessioni, si verificano durante periodi di ionizzazione molto elevata, come il massimo delle macchie solari, e si verificano durante la trasmissione a lunga distanza quando i segnali entrano nello strato con un angolo molto ottuso. Numerosi accoppiamenti a 5 bande osservati durante i mesi estivi negli Stati Uniti negli anni passati sono attribuiti alla ionizzazione anomala dello strato E. La maggior parte di questi collegamenti avvenivano di sera. Le misurazioni della ionosfera mostrano che in estate spesso al mattino prima dell'alba e alla sera si forma uno strato E anomalo, la cui superficie a volte è solo di pochi chilometri quadrati. Grazie a ciò la comunicazione VHF è possibile solo tra un numero molto limitato di punti. Tuttavia, se sono presenti contemporaneamente molti siti di questo tipo in aree diverse, le condizioni di comunicazione VHF potrebbero essere abbastanza buone. Autore: B. Khitrov
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