LA IONOSFERA E LA PROPAGAZIONE


LA IONOSFERA E LA PROPAGAZIONE


La teoria e gli studi scientifici di un CERTO argomento ci fanno capire tante cose prima di metterle in pratica e di usarlE per la soluzione dei problemi REALI.

La ionosfera scoperta e usata da Marconi , che ne sperimentava le trasmissioni radio e gli permetteva di superare il problema della curvatura terrestre, ma all’epoca non aveva ne un nome, ne una spiegazione scientifica. Solo nel 1924 fu dimostrata l’esistenza della ionosfera.

La ionosfera è la fascia dell’atmosfera nella quale le radiazioni del Sole, e in misura molto minore i raggi cosmici provenienti dallo spazio, provocano la ionizzazione dei gas componenti. La ionosfera si estende fra i 60 e i 450 km di altitudine e dunque appartiene parzialmente sia alla mesosfera che alla termosfera. Può essere ulteriormente divisa in strati evidenziandone le diverse proprietà elettriche, dovute alle variazioni di composizione e dell’intensità di radiazione solare ricevuta.

La ionosfera è estremamente rarefatta: pur essendo spessa centinaia di kilometri, essa contiene solamente l’1% circa della massa gassosa atmosferica complessiva. La temperatura diurna varia dai 200 K degli strati più interni ai 1500 K degli strati più esterni, maggiormente esposti al Sole. La presenza dell’illuminazione solare esercita una grande influenza sulle proprietà dei gas ionosferici, che dunque cambiano sensibilmente tra il giorno e la notte. Anche il ciclo molto più lungo dell’attività solare ha effetti sensibili sulla ionosfera.

Formule per convertire le temperature da/a kelvin
Conversione da a Formula
kelvin grado Celsius T(°C) = T(K) – 273,15
grado Celsius kelvin T(K) = T(°C) + 273,15
kelvin grado Fahrenheit T(°F) = (T(K) × 1,8) – 459,67
grado Fahrenheit kelvin T(K) = (T(°F) + 459,67) / 1,8

La ionosfera svolge un ruolo importante in alcune applicazioni radio (a causa delle peculiari proprietà elettriche sopra citate); un’onda a radiofrequenza incidente su uno strato ionizzato può essere totalmente riflessa (a causa della saturazione elettronica della materia) sotto opportune condizioni, al contrario di quanto accade nell’atmosfera non ionizzata (il cui indice di rifrazione presenta variazioni generalmente troppo piccole per produrre la riflessione totale di un’onda, che in parte viene assorbita e dispersa). Di conseguenza, è possibile utilizzare un modello di propagazione basato su riflessioni multiple fra la superficie terrestre e la ionosfera. Questo tipo di propagazione è abbastanza efficiente per frequenze inferiori ai 30 MHz, le cosiddette onde corte, tipicamente utilizzate dalle trasmissioni radioamatoriali.

Ecco la Ionosfera che riflette le nostre onde corte.

Strati della Ionosfera


Strati della Ionosfera. Di notte sono presenti gli strati E e F. Durante il giorno si forma lo strato D, e gli strati E e F divengono molto più forti. Spesso durante il giorno lo strato F si differenzia in F1 e F2.

Lo Strato D

È lo strato più interno, si estende fra i 60 e i 90 km di altitudine. Il gas ionizzato è principalmente l’ossido di azoto (NO). Gli ioni e gli elettroni si ricombinano velocemente e pertanto l’effetto netto della ionizzazione è piuttosto basso, di giorno insufficiente a supportare la propagazione oltre i 3 MHz, e di notte praticamente nullo: in condizione di quiete questo strato è presente solo di giorno (per motivi legati alla fisica dei semiconduttori). Proprio a causa della bassa intensità di ionizzazione, lo strato D non ha particolari proprietà riflessione e, di fatto, rispetto agli strati superiori E ed F, ha un effetto contrario poiché tende ad assorbire le onde radio che lo attraversano, limitando, durante il giorno, la propagazione a grandi distanze delle MF e delle basse HF.

Solo occasionalmente, in caso di brillamenti solari, la ionizzazione dello strato D, per effetto dei raggi X che possono ionizzare le molecole di azoto N2 e quelle di ossigeno O2, può divenire tanto intensa da conferire a questo strato notevoli proprietà di riflessione, in particolare nei confronti delle VLF, generando improvvise variazioni nelle proprietà di propagazione di queste ultime e questi fenomeni sono detti Sudden Ionospheric Disturbance, abbreviato SID.

Lo Strato E

Si estende fra i 90 e i 130 km di altitudine. Il gas ionizzato è l’ossigeno molecolare (O2). La velocità di ricombinazione è minore rispetto allo strato D, e di notte permane una debole ionizzazione. Lo strato E può essere sfruttato per le trasmissioni fino ai 10 MHz. In condizioni di quiete, è possibile avere un residuo di ionizzazione durante le ore notturne.

Lo Strato Es

È uno strato sporadico, che compare talvolta alla quota di 100 km, per brevi intervalli di tempo (da pochi minuti a qualche ora). È caratterizzato da nubi elettroniche di forma lamellare e piccolo spessore (2 km circa), fortemente ionizzate, in grado di supportare la propagazione fino a 20 MHz. Attualmente si stanno studiando diverse cause che potrebbero concorrere alla formazione dello strato Es; per esempio, il calore prodotto dalla disintegrazione di sciami meteorici che entrano nell’atmosfera può creare delle scie di intensa ionizzazione, interpretabili come strati Es.

lo Strato F

Si estende fra i 130 e i 450 km di altitudine. Il gas ionizzato è l’ossigeno atomico (O). Di giorno lo strato F si divide in due ulteriori sottostrati, F1 (interno) ed F2 (esterno), nei quali la ionizzazione assume proprietà differenti; sono detti “strati Appleton”, da Edward Victor Appleton che li studiò. Lo strato F1 si estende fino a ~240 km e contiene principalmente ioni NO+, nello strato F2, che si estende oltre i ~240 km, sono presenti soprattutto ioni O+. La regione F è la più importante dal punto di vista delle comunicazioni HF perché in essa si raggiungono le massime concentrazioni di densità elettronica, che ne fanno la più spessa e la più riflettiva.

Un’onda radio che raggiunge la ionosfera, forza gli elettroni liberi ad oscillare alla stessa frequenza del suo campo elettrico. Se l’energia di oscillazione non viene persa per ricombinazione (cioè se la frequenza di ricombinazione è minore della frequenza dell’onda), gli elettroni cesseranno di oscillare reirradiando l’onda verso terra. Maggiore è la frequenza dell’onda incidente, maggiore sarà il numero di cariche libere necessarie per reirradiare l’onda. Nel caso non ci siano abbastanza cariche pronte ad oscillare, la riflessione totale (e quindi la propagazione ionosferica) non può avvenire.


 TIPI DI RADIOPROPAGAZIONE


Propagazione per linea diretta

È il tipo di radiopropagazione più diffuso e ideale in una radiocomunicazione, specie in collegamenti di ponti radio terrestri e satellitari (line of sight). Caratteristica delle onde elettromagnetiche con lunghezza d’onda maggiore delle dimensioni degli oggetti irradiati è però anche il superamento dell’ostacolo e la ricezione da parte del ricevitore anche se posto non in linea di vista.

Propagazione per onda di terra

Altro caso di radiopropagazione è la propagazione che sfrutta l’effetto guidante della superficie terrestre all’interfaccia con lo strato atmosferico e che può consentire anche lunghi percorsi dell’onda elettromagnetica grazie alla conducibilità offerta dal suolo terrestre che risulta debolmente carico negativamente e la superficie d’acqua debolmente polarizzata per via dei legami ad idrogeno e/o la presenza di sali in essa disciolti. È sfruttata nelle applicazioni di radiodiffusione sia terrestri che marittime.

Propagazione ionosferica

Un caso particolare di radiopropagazione è la propagazione ionosferica ovvero la propagazione delle onde radio che sfrutta la riflessione elettromagnetica da parte dello strato atmosferico ionizzato conduttore qual è la ionosfera permettendone la propagazione oltre la semplice portata ottica tra trasmettitore e ricevitore ovvero oltre i limiti imposti dalla curvatura terrestre. Questa forma di propagazione fu quella inizialmente utilizzata da Guglielmo Marconi nei suoi esperimenti di radiopropagazione transoceanica dall’Europa all’America e portò alla scoperta della stessa ionosfera.

Propagazione per effetto condotto

Altro caso di radiopropagazione è quello che sfrutta la formazione di “condotti atmosferici” per l’onda elettromagnetica grazie all’inversione dell’indice di rifrazione dell’aria in particolari condizioni atmosferiche che danno origine all’effetto Fata Morgana. Tale modalità di propagazione non è tuttavia pienamente affidabile in quanto il fenomeno si manifesta in maniera aleatoria nel tempo.

Troposcatter

L’atmosfera, in particolare la parte più bassa e densa detta troposfera, è in grado di produrre una certa diffusione o scattering dell’onda elettromagnetica a radiofrequenza così che una piccola parte dell’energia dell’onda elettromagnetica irradiata, anche se inviata in una direzione diversa da quella della linea di vista tra trasmettitore e ricevitore, può essere captata dal ricevitore stesso. Tale modalità di propagazione è detta “troposcatter”.

Propagazione satellitare

È il tipo di radiopropagazione che coinvolge le comunicazioni satellitari tra stazioni al suolo e satelliti per telecomunicazioni in orbita intorno alla Terra attraversando tutto o parte del mezzo atmosferico. A causa della distanza tra satellite e stazione al suolo e la presenza dell’atmosfera tipicamente l’attenuazione complessiva del segnale è elevata.

Propagazione spaziale

È il tipo di radiopropagazione che coinvolge le comunicazioni tra sonde spaziali e satelliti in orbita per la ricezione dei dati attraversando il mezzo interstellare/interplanetario cioè lo spazio o vuoto cosmico. In virtù della quasi totale assenza di materia tale forma di propagazione risente di una bassa attenuazione specifica, ma su lunghissimi percorsi l’attenuazione complessiva rimane comunque elevata.

Multipropagazione

L’onda elettromagnetica può seguire più percorsi dal trasmettitore al ricevitore ad esempio sfruttando, oltre alla linea diretta, la riflessione da parte del terreno o degli edifici specie in un collegamento radiomobile. A tale forma di propagazione si dà il nome di multipropagazione (multipath). A causa della ricombinazione con fase generalmente diversa delle varie onde in ricezione dovute al differente cammino percorso la potenza in ricezione è soggetta a fading aleatorio (multipath fading) almeno nel caso di una trasmissione radiomobile con effetti di distorsione in ampiezza del segnale.

Per tener conto del multipath e dei suoi effetti si definiscono le cosiddette zone di Fresnel come il volume determinato da quegli ellissoidi di raggio via via crescente per cui l’interferenza in un certo punto P è costruttiva oppure distruttiva.

Nei sistemi radar essa causa difficoltà nell’individuazione esatta del target specie se a bassa quota.

Il multipath è particolarmente sentito anche nelle trasmissioni radiomobili come le reti cellulari dove il mutare della posizione del terminale mobile rispetto alla stazione radio base, specie con ambiente urbano di radiopropagazione, determina continue variazione degli effetti di riflessione e diffrazione e quindi un multipath variabile in maniera non predicibile ovvero aleatoria, cui si può ovviare con opportuni circuiti elettronici di controllo automatico del guadagno. Pur tuttavia il multipath nel canale radiomobile permette la ricezione anche non in linea di vista. Nelle comunicazioni marittime invece il multipath della superficie marina rende molto più critica e meno performante la comunicazione.


MODALITÀ DELLA RADIOPROPAGAZIONE


  • 1,8 MHz (160 m). Risente fortemente dell’assorbimento diurno dello strato D, quindi l’uso primario di questa banda è principalmente notturno, quando lo strato D è sostanzialmente dissolto e sono possibili collegamenti su diverse migliaia di chilometri. Durante il giorno invece le possibilità sono limitate a pochissime centinaia di km. Un altro fattore di cui tener conto per questa banda è il forte rumore atmosferico, specie in estate (temporali).
  • 3,5 MHz (80 m). La situazione è simile a quella precedente, però in meglio, nel senso che i collegamenti diurni, possono effettuarsi ad una distanza più lunga e il disturbo atmosferico è più ridotto.
  • 7 MHz (40 m). È la banda più bassa a sfruttare la propagazione per riflessione ionosferica, talché di giorno si possono raggiungere collegamenti verso i 1000km, mentre di notte vi si può collegare praticamente tutto il mondo. Il rumore atmosferico è di una qualche entità solo nei mesi estivi.
  • 12 MHz (25 m) WARC. Caratteristiche intermedie.
  • 14 MHz (20 m). È la banda principale per i collegamenti a lunga distanza sia di giorno che di notte, specie durante i periodi di buona attività solare. Il rumore atmosferico è di scarso rilievo e risente solo in parte del ciclo solare undecennale.
  • 18 MHz (17 m) WARC. Caratteristiche intermedie.
  • 21 MHz (15 m). Questa banda ha un comportamento abbastanza somigliante a quello dei 20 m, presentando però fluttuazioni molto più nette al cambiare dell’attività solare. Infatti solo nei periodi di massima del ciclo l’apertura può esistere per buona parte delle 24 ore, mentre mediamente prevale l’attività diurna, che risulta molto ridotta nei minimi del ciclo.
  • 24 MHz (12 m) WARC. Caratteristiche intermedie.
  • 28 MHz (10 m). È la banda che soffre maggiormente della scarsa attività solare, risultando quindi sfruttabile solo nei periodi di alto numero di macchie e prevalentemente nelle ore diurne, mentre per periodi di minimo appare pressoché completamente chiusa, Consente tuttavia collegamenti molto facili anche con modeste potenze, sia per le tipiche modalità di propagazione sia per l’ormai inesistente rumore atmosferico.
  • Bande intermedie. Per quanto concerne le bande concesse ai radioamatori in occasione dell’ultima Conferenza Mondiale Amministrativa, e cioè 12, 18 e 24 MHz, si può molto semplicemente affermare che le modalità di propagazione sono una via di mezzo fra le bande più classiche ora elencate, risentendo contemporaneamente e parzialmente delle caratteristiche di quella immediatamente inferiore e superiore.
  • Oltre 25 MHz. È questo il campo delle VHF, UHF e poi su nel campo tutto da esplorare delle microonde. Principalmente la trasmissione avviene per via ottica, cioè occorre essere in linea retta col corrispondente, però anche qui la natura ci mette lo zampino e ci sono piacevoli sorprese!

Fonti: Web, Wikipedia, articoli di colleghi

73 da Antonio IU8CRI

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