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 sono 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 uncerto 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 e 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.

Dipendenza dalla frequenza

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 è 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 un'attenuazione per assorbimento parziale, mentre gli strati più alti rifraggono l'onda. Al di sopra della MUF (frequenza massima utilizzabile) anche lo strato F2 è attraversato e le onde si perdono nello spazio. Si definisce poi la FVC (frequenza critica verticale), la frequenza massima che trasmessa verticalmente è riflessa al suolo. Le frequenze appena citate possono poi essere determinate strato per strato e su varie distanze, in particolare si definisce la MUF 1000, MUF 1500, MUF 3000 (misurate rispettivamente a 1000, 1500 e 3000 Km).

Distanze raggiungibili

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 è 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.Variazioni con le ore del giornoLa 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.Variazioni con le stagioni dell'annoCon 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.

Variazioni con la posizione geografica.

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 determinano una ionizzazione di scarsa entità, che ha i valori minimi ai poli dove si hanno le caratteristiche di propagazione transpolare; inoltre le emissioni corpuscolari 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 mezzogiorno 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.

ANOMALIE

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 sono notate sperimentalmente altre due variazione durante il giorno, i cui massimi si collocano intorno alle ore 10-11 locali e tra le ore 22-23, sempre locali. Nell'emisfero Nord l' anomalia stagionale" consiste in una tendenza alla concentrazione elettronica dello strato F2 intorno alle 12 locali, e ad essere più alta d'inverno che d'estate. 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 si osservano alcune "anomalie" nelle caratteristiche dello strato F2, probabilmente associate alla caduta di particelle di alto valore energetico. Vi è infatti una depressione pronunciata nella concentrazione elettronica delle strato F2, dovuta alle linee di forza della magnetosfera e che si estende su 2-10 gradi in direzione dell'equatore, subito dopo l'ovale aurorale e da mezzogiorno a tutta la notte. Alcune osservazioni sulle concentrazioni elettroniche, al di sopra dell'altezza in cui avviene il suo massimo, sono state effettuate con radar a diffusione incoerente, con missili e sonde installate a bordo di satelliti. Queste osservazioni mostrano come la concentrazione elettronica decresce in modo approssimativamente esponenziale con l'altezza. Intorno a 100 km si ha una variazione del gradiente della concentrazione elettronica causata dalla presenza di un passaggio da ioni di ossigeno a ioni di idrogeno; l'altezza alla quale avviene questa transizione aumenta con la latitudine. A 1000 km la concentrazione elettronica è normalmente dell'ordine di 10 miliardi di elettroni per metro cubo.Le onde radio vengono riflesse dagli strati ionizzati. Se il sole ha un certo comportamento, la ionosfera avrà una certa densità e struttura; ad altri comportamenti del sole invece corrisponderanno altrettanti caratteri di densità e struttura. Per cui possiamo comprendere che le variazioni di propagazione sono legate ai seguenti fenomeni:

alternarsi del giorno e della notte (variazione diurna)

alternarsi delle stagioni (variazione stagionale)

alternarsi di periodi di alta attività solare con periodi di calma (variazione del ciclo solare)

Variazioni stagionali delle frequenze critiche della regione F al 44° parallelo nord, con un’attivita’ solare medio alta. Le frequenze critiche estive sono minori delle invernali, questa anomalia viene definita "Depressione estiva".La concentrazione elettronica dipende strettamente dalla distanza zenitale dal sole. Vi è un massimo giornaliero verso mezzogiorno ed un massimo stagionale in estate. Il massimo della concentrazione elettronica si colloca intorno ai 110 km ed è circa di 100 miliardi di elettroni per metro cubo. Con questa concentrazione il plasma elettronico ha una sua propria frequenza di riflessione di circa 3 MHz. Durante la notte, invece, la ionizzazione dello strato E si riduce drasticamente. La concentrazione elettronica è massima al massimo del ciclo solare. Nell'arco del ciclo solare si hanno variazioni della frequenza del plasma intorno al 30%. Una parte dello strato E, a circa 120 km, viene chiamata E Sporadico, proprio per il fatto che la sua presenza è sporadica. Pare che la sua ionizzazione sia dovuta a meteoriti e fenomeni cosmici non legati all'attività solare. La sua presenza è più frequente d'estate che d’inverno.Alcune osservazioni sulle concentrazioni elettroniche, al di sopra dell'altezza in cui avviene il suo massimo, sono state effettuate con radar a diffusione incoerente, con missili e sonde installate a bordo di satelliti. Queste osservazioni mostrano come la concentrazione elettronica decresce in modo approssimativamente esponenziale con l'altezza. Intorno a 100 km si ha una variazione del gradiente della concentrazione elettronica causata dalla presenza di un passaggio da ioni di ossigeno a ioni di idrogeno; l'altezza alla quale avviene questa transizione aumenta con la latitudine. A 1000 km la concentrazione elettronica è normalmente dell'ordine di 10 miliardi di elettroni per metro cubo. Le onde radio vengono riflesse dagli strati ionizzati. Se il sole ha un certo comportamento, la ionosfera avrà una certa densità e struttura; ad altri comportamenti del sole invece corrisponderanno altrettanti caratteri di densità e struttura. Per cui possiamo comprendere che le variazioni di propagazione sono legate ai seguenti fenomeni: alternarsi del giorno e della notte (variazione diurna) alternarsi delle stagioni (variazione stagionale) alternarsi di periodi di alta attività solare con periodi di calma (variazione del ciclo solare)

PROPAGAZIONE GREY LINE

Quando tutto il percorso e’ in oscurita’ si ha il minimo assorbimento e percio’ vi sono le migliori possibilita’ per le lunghe distanze. Il massimo possibile si verifica quando all’ala e al tramonto da noi, il corrispondente e’ nella situazione inversa. Al levar del sole e per qualche ora la regione F e’ particolarmente dinamica e la sua refrattivivita’ ha un gradiente che si alza con il sole. Sulla linea grigia, si ha quindi una somma di fattori favorevoli come frequenze critiche crescenti, assorbimento dello strato D ancora lieve, pressione di radiazione che fa inclinare la ionosfera. Inoltre , al mattino, nella fascia del terminatore, le MUF salgono rapidamente e le rifrazioni sono piu’ marcate Proprio quando il gradiente cambia bruscamente MUF: Max usable frequency , e’ la piu’ alta frequenza che in funzione della densita’ di ionizzazione viene rimandata a terra. A parita’ di condizioni la MUF dipende sensibilmente dall’angolo verticale di radiazione. Sebbene per la geometria terrestre, si affermi che non possono verificarsi salti maggiori di 4000 km, per segnali con angolo di radiazione prossimo allo zero, lo strato F2 , puo’ introdurre una curvatura progressiva, che determina salti fino a 7000 km, sperimentato con MUF oltre 50 Mhz. Analizziamo che cosa succede.Quando si e’ ancora in oscurita’ lo strato F, comincia ad essere illuminato (essendo piu’ in alto e’ il primo strato ad essere illuminato dal sole) e inizia il processo di ionizzazione.Al sorgere del sole , si ionizzano anche gli strati bassi, compreso lo strato D ma l’assorbimento introdotto dagli strati inferiori della ionosfera e’ ancora lieve poiche’ l’assorbimento inizia, quando hanno raggiunto il loro livello di ionizzazione massimo. Prima, sono parzialmente ionizzati e creano un gradiente progressivo di ionizzazione, insufficiente ad assorbire il segnale DX ma sufficiente a rifrangerlo, abbassandone l'angolo di incidenza verso lo strato F che invece e' gia' pronto a portarlo fino a noi senza rimbalzi intermedi. Un basso angolo di incidenza e’ importantissimo per il collegamento a lunga distanza. Quando il sole illumina una zona ionosferica che si trova 2000 km a ovest del trasmettitore: ovvero, quando il sole illumina il primo punto di rifrazione ionosferica e gli strati bassi sono gia’ molto ionizzati, l’assorbimento e’ quindi forte e l'angolo di incidenza diventa irrilevante , con queste condizioni i segnali dx iniziano dapprima ad affievolirsi per poi scomparire.

FOCALIZZAZIONI

Quando il sole si e’ levato da poco e la luce continua a procedere verso ovest, le alte quote sono illuminate per prime e le basse piu’ tardi. Si forma cosi vicino al terminatore un bordo di luce che si sposta verso ovest con una multistratificazione dello strato F, ad andamento quasi parabolico. Abbiamo insomma lungo il terminatore una specie di riflettore parabolico che focalizza i segnali. Questa focalizzazione e’ rilevata dall’improvviso aumento dell’intensita’ dei segnali provenienti da ovest, che, arrivati ad un valore massimo, decadono di li a poco, quando l’illuminazione scende fino alla regione D, facendone crescere l’opacita’.Piu’ e’ bassa la frequenza, piu’ e’ corta la durata del fenomeno, dopo un picco breve ma accentuato.

RUMORE

Le bande alte delle Hf presentano un rumore atmosferico molto minore rispetto alla bande a frequenza piu’ bassa. Riporto una tabella dove, in funzione della frequenza vengono raffigurati i disturbi , trascurando il rumore galattico, che risulta essere quasi costante per quasi tutto lo spettro delle Hf, il rumore atmosferico decresce progressivamente con la frequenza, al di sopra dei 22 Mhz diventa praticamente trascurabile. Sui 10 e 12 metri, con buoni ricevitori si possono lavorare segnali debolissimi, impossibili da sentire su altre gamme. In corrispondenza delle frequenze inferiori a 1 MHz diventa particolarmente elevato il livello del rumore radio di fondo captato dall'antenna e proveniente dall'ambiente circostante: la principale componente è rappresentata dai disturbi atmosferici e da quelli naturali, in grado di mascherare facilmente la ricezione dei segnali che ci interessano. L'ampiezza di tali disturbi decresce abbastanza rapidamente all'aumentare della frequenza, diventando assai meno significativa nella banda delle VHF. Mentre è possibile minimizzare l'effetto dei disturbi artificiali scegliendo opportunamente il sito d'installazione della singola stazione ricevente e la tipologia d'antenna utilizzata, molto più difficile è eliminare il disturbo di tipo atmosferico, soprattutto quello lontano. Esso é dovuto alle scariche elettriche temporalesche ed è quindi soggetto ad ampie variazioni nel tempo dipendenti dalle condizioni climatiche stagionali e giornaliere. Ogni scarica causata da un temporale origina impulsi RF, con densità spettrale decrescente con la frequenza, che si propagano in tutte le direzioni (il numero medio dei temporali che avvengono contemporaneamente sulla terra è circa 1800, con un numero medio di 100 scariche elettriche/sec.). Di conseguenza, si valutano i loro effetti fino a distanze molto grandi, dato che la propagazione può avvenire per via ionosferica. Si distingue un effetto locale, causato dalle condizioni meteorologiche locali, e un effetto lontano. Il primo si presenta essenzialmente come una sequenza d'impulsi molto intensi ma distanziati nel tempo, mentre il secondo perde il carattere marcatamente impulsivo per la sovrapposizione aleatoria degli effetti dovuti ad un grande numero di scariche lontane. Oltre alla diminuzione dell'intensità del disturbo con la frequenza, si registrano valori nettamente superiori di notte rispetto al giorno, dovuti alla maggiore attenuazione subita dalla propagazione ionosferica diurna: si ha quasi la scomparsa dell'effetto a frequenze superiori a 30 MHz, sia perché è ormai insignificante il suo contributo energetico, sia perche’ a queste frequenze diventa improbabile la riflessione ionosferica.

IPOTESI

Esiste la possibilita' un fenomeno strano sulle bande alte, ovvero puo' capitare di ascoltare i propri echi di ritorno, con un ritardo stimabile nell’ordine di 300 – 400 milli secondi.Il fenomeno, e' riscontrabile su frequenze indicativamente superiori ai 21 Mhz . Potrebbe trattarsi di una riflessione "esterna" su strati piu’ elevati, influenzati dalle fasce di Van Allen, o di zone ad elevata ionizzazione indotte dalle fasce che in determinati punti si avvicinano all’atmosfera terrestre.Queste "anomalie" localizzate al di sopra dello strato F2, potrebbero indurre una riflessione e spiegare il motivo di questi percorsi molto lunghi (e quindi il ritardo dei segnali) sulle bande piu’ alte delle HF, e favorire certi collegamenti dx anche con piccola potenza.Studi della NASA hanno dimostrato l’esistenza di queste irregolarita’, una di queste viene chiamata "Anomalia sud Atlantica", poiche' in questa zona e' stata accertata un'anomalia di questo tipo.Potrebbero verificarsi, in certi casi altre anomalie, magari di natura anche temporanea, indotte da irregolarita’ del campo magnetico terrestre.Forse e’ un’ipotesi azzardata (che comunque vale la pena di essere approfondita), gli echi potrebbero essere causati dai segnali, che in determinate condizioni e con il ciclo solare al massimo possono fare anche piu’ di un giro del mondo e arrivare quindi in ritardo di qualche frazione di secondo.

GUIDE D’ONDA