Il raggio di luce propagandosi nel mezzo piu’ denso
rallenta, e la parte superiore di ogni onda frontale
sorpassa la parte inferiore, con il risultato che il
raggio si incurva verso il basso. L’ampiezza di questo
"incurvamento" e’ direttamente proporzionale
all’indice di rifrazione, che e’ strettamente legato
alla densita’ ottica del mezzo. L’indice di
rifrazione e’ funzione della costante dielettrica. La
radiazione elettromagnetica, che si propaga attraverso
la troposfera terrestre, quindi in un mezzo piu’ denso
del vuoto, subisce una deviazione ( rifrazione) sulla
superficie di separazione fra i due mezzi aventi
costante dielettrica diversa, alla stessa maniera della
luce che passando da un mezzo meno denso ad uno piu’
denso viene deviata. Interpretando la teoria
elettromagnetica di Maxwell, il termine piu’ denso sta’
a significare , avente costante dielettrica maggiore.
Portata ottica
Il collegamento puo’ avvenire in qualsiasi momento
poiche’ le antenne "si vedono". La distanza
massima copribile e’ limitata dalla curvatura
terrestre e dipende dall’altezza delle antenne dei due
corrispondenti. La portata ottica puo’ essere
calcolata con la seguente formula empirica, che tiene
conto anche dell’indice di rifrazione dell’aria (d e’
espresso in Km e h e’ espresso in metri): Il limite di
questi collegamenti e’ dato dall’orizzonte ottico,
anche se la presenza della troposfera migliora la
situazione teorica, poiche’ l’indice di rifrazione
dell’aria e’ maggioredi(1,00033),e questo causa
sempre una certa rifrazione che puo’ aumentare la
portata ottica anche di un 20%.
Propagazione per rifrazione e diffrazione troposferca
Le onde possono seguire leggermente la curvatura
terrestre estendendo il radio orizzonte. Le onde
subiscono un incurvamento verso il basso, (rifrazione)
causato dalla presenza di masse d’aria stratificate in
regioni aventi costante dielettrica diversa. Le distanze
copribili possono essere indicativamente attorno ai 100
– 150 km. La diffrazione e’ una propagazione non
rettilinea dell’onda elettromagnetica incidente sul
contorno degli oggetti. Se ci sono delle montagne in
direzione della stazione corrispondente e nel caso di un
alto angolo d’irradiazione che colpisce la montagna ci
puo’ essere una diffrazione del segnale che,
nonostante molti dB di attenuazione, puo’ consentire
buoni collegamenti dx e che permette di svolgere un
discreto traffico via tropo in vhf, anche a quelle
stazioni che operano per esempio nelle valli alpine.
Esistono poi fenomeni di superifrazione, come le
inversioni di temperatura, che meritano un discorso a
parte.
Propagazione per inversione di temperatura
La causa forse piu’ comune di rifrazione
atmosferica e’ dovuta alla cosidetta inversione
termica. Normalmente la temperatura nella bassa
atmosfera (100 m. – 3000 m.) diminuisce regolarmente e
in maniera costante con l’aumentare dell’altezza, se
per motivi atmosferici in una certa zona, questa
costante diminuzione non e’ rispettata, cioe’ la
temperatura ricomincia ad aumentare, avviene il fenomeno
dell’inversione di temperatura che da’ luogo ad un
incurvamento delle onde superiore al normale. Le portate
per riflessione ottenibili dipendono dall’altezza dell’inversione,
che in casi eccezionali puo’ essere anche a 8 km. di
altezza, e anche dall’angolo d’irradiazione dei
segnali. Con un’altezza di irradiazione di 8 km. si
ottiene dunque una portata di circa 800 km, pero’ in
pratica le altezze sono minori, per cui e’ raro il
caso di giungere oltre i 300 Km. Il dx per inversione e’
spesso riconoscibile da una lenta evanescenza con poca
profondita’. I collegamenti su percorsi
prevalentemente marittimi sono favoriti dal fatto che il
mare si presenta come una superficie uniforme, mentre in
terra, a parte gli ostacoli naturali, le stesse varie
condizioni del terreno influenzano gli strati d’aria
superiori.
Troposcatter
Questo tipo di propagazione troposferica e’
provocato da turbolenze al limite superiore della
troposfera che generano in continuita’ delle
inversioni in miniatura, la diffusione si deve alle
rifrazioni multiple di agglomerati d’aria di diversa
densita’, che fanno da rifrangente per i segnali, per
dare meglio l’idea, la diffusione (scatter=irradiazione
diffusa) e’ composta da simultanee rifrazioni da
moltissimi piccoli oggetti. I collegamenti tropo-scatter
sono possibili in qualsiasi momento anche se richiedono
apparecchiature ed antenne efficaci, poiche’ l’attenuazione
provocata da questi ripetuti "rimbalzi" e
sparpagliamenti, e’ molto maggiore che non nella
normale propagazione troposferica. La distanza dei
collegamenti dipende molto dalle attrezzature, poiche’
il segnale in arrivo per diffusione e’ di norma
debole, comunque con una stazione media sono possibili
collegamenti di 500-800 e anche piu’ Km. I segnali per
diffusione troposferica, sono caratterizzati da una
forte evanescenza, causata dal continuo mutare delle
condizioni delle microcelle di diffusione e dai percorsi
casuali che possono fare i segnali riflessi giungendo
fuori fase al ricevitore (distorsione).
Propagazione per Condotti (Duct) Troposferici
Nel caso di inversioni di temperatura con superficie
molto estesa, che si formano soprattutto sopra i mari,
possono avvenire rifrazioni multiple dei segnali ad
opera dell’inversione, e riflessioni multiple ad opera
della superficie terrestre ,quindi si ha una
propagazione per salto doppio o multiplo. L’inversione
di temperatura innesca una caduta del contenuto di
umidita’ in quota (100- 1000m.) che determina la
formazione del condotto. La variazione di indice di
rifrazione è dovuta al diverso tenore di umidità nei
vari strati dell'aria. Le onde radio sono bloccate come
dentro una guida d’onda fra uno strato di inversione e
la terra o fra due strati di inversione, seguendo
perfettamente la curvatura terrestre, riuscendo a
coprire distanze considerevoli In questo caso si ha una
debole attenuazione del segnale , che spesso e’
ascoltabile solo alle estremita’ di questa "guida
d’onda" e le condizioni sono buone su aree
geografiche relativamente piccole. Il fenomeno di
propagazione per "Ducting" troposferico, si
verifica spesso, principalmente nei mesi caldi, tra il
Veneto e la Puglia, i condotti si formano sopra il mare
Adriatico e consentono collegamenti su percorsi di 700
– 800 Km., in casi eccezionali il condotto puo’
estendersi fino alla Grecia. Personalmente ho realizzato
parecchi collegamenti tra il mio qth (Thiene –Vi , wwl:
jn55rq) e la Puglia, con segnali fortissimi, lo stesso
fenomeno avviene anche per i 50 Mhz. La scorsa estate ho
ascoltato alla stessa ora del pomeriggio, via ducting,
due stazioni in zona 7, dal Gargano, che trasmettevano
rispettivamente una in 144 mhz e l’altra sui 50 mhz, a
dimostrazione che se la guida d’onda e’ presente per
i 2 metri, puo’ essere accessibile anche per i 6
metri. Come gia’ detto, in alcune zone della terra ,
soprattutto sopra i mari, le inversioni termiche sono
presenti quasi con continuita’, e ad altezze molto
modeste, infatti la zona piu’ comune per la formazione
dei condotti troposferici si estende da 100 m fino a
1000 m di altitudine, difficilmente si verificano a
quote superiori, presumibilmente poiche salendo in quota
la densita’ dell’aria diminuisce progressivamente,
riducendo sempre di piu’ la probabilita’ che si
formi il condotto troposferico. Le condizioni meteo
necessarie perche’ si formino questi condotti sono:
Alta pressione barometrica (su un’area piuttosto
vasta), buona insolazione e assenza di vento. Per mezzo
del duca si possono superare lunghissime distanze, 1000
Km non sono una rarità’, i 2000 Km. sono stati
superati ripetutamente e sono stati effettuati
collegamenti record via ducting, tra le coste della
California e le isole Hawaii , in pieno Oceano Pacifico,
con uno skip di 4000 Km. Una caratteristica della
propagazione per ducting troposferico e’ che i due
corrispondenti devono trovarsi dentro o nelle vicinanze
del condotto. Nel caso in cui le antenne si trovino in
posizione elevata, e il condotto si formi solamente a
pochi metri dal suolo, il segnale non riesce ad entrare
nel condotto stesso. I condotti si possono formare
solamente su superfici piatte o a bassa curvatura (e
quindi altitudine)
Propagazione per mezzo di celle convettive
Si tratta di un’ipotesi di propagazione confermata
da studi del comitato di studi per la propagazione dell’associazione
radioamatori Britannici ,RSGB, e descritta in un mio
precedente articolo. Si tratta di un modo di
propagazione simile all’ordinaria propagazione
troposferica, ma che trae vantaggi sostanziali da
piccole variazioni locali nell’atmosfera, come la
formazione di celle convettive, che producono una serie
di rifrazioni lungo il percorso del collegamento. I
collegamenti tra il mio qth e le stazioni a nord delle
Alpi, e’ da attribuirsi a mio avviso a questo tipo di
propagazione, la morfologia del terreno (montagne
elevate e valli profonde) agevola la formazione delle
celle convettive, responsabili di quelle turbolenze e
variazioni nella densita’ a umidita’ dell’aria che
come gia’ detto producono una curvatura del radio
segnale.
Limite della troposfera
La distanza dei collegamenti dx, in VHF viene
influenzata dall’altezza della troposfera, o meglio
dall’altezza di quella parte della troposfera dove la
densita’ dell’aria e di conseguenza di quelle
variazioni di cui ho gia’ precedentemente parlato, e’
ancora sufficiente per consentire una rifrazione dell’onda
elettromagnetica. Fino a 300 metri dal suolo, la densita’
dell’aria e’ uniforme, per ridursi a 2/3 ad un’altezza
di 4000 metri e di 1/3 a 9000 metri dal suolo. La
troposfera contiene il 90% dell’atmosfera terrestre e
il 99% del vapore acqueo; e’ formata per il 21% di
ossigeno molecolare (O2), per il 78% di azoto molecolare
(N2) e sono presenti in quantita’ del tutto
trascurabile (1-2%) anche altri gas. La zona dove e’
piu’ probabile trovare le condizioni per un’efficace
rifrazione, per quanto detto sopra, si trova negli
strati piu’ bassi della troposfera. Fino a 300 metri
di altezza, troviamo particelle di polvere, foschia ,
umidita’ e variazioni di temperatura , man mano che si
sale l’atmosfera diventa via via piu’ pura e meno
densa, riducendo progressivamente le capacita’ di
rifrazione. E’ questo il motivo per cui gli strati di
inversione (Condotti troposferici) sono presenti fino ad
altezze indicative che arrivano ai 1000 m. Per
consentire il collegamento, la rifrazione deve avvenire
in un’area definita della troposfera , denominata
"volume comune". Nella Tropopausa, la
temperatura e’ costante (-60 gradi C°), la densita’
dell’aria e’ molto bassa e quindi non sono possibili
variazioni dell’indice di rifrazione di nessun genere.
In linea di principio, la temperatura della terra
diminuisce di circa 6 gradi centigradi ogni 1000 metri
di altitudine, questo a causa della progressiva
riduzione della densita’ dell’aria.
Altezza della troposfera
Una ragione delle migliori condizioni estive per il
dx sulle Vhf potrebbe essere la maggior rifrazione per
il radio orizzonte piu’ grande, dovuto alla maggiore
umidita’ dell’aria piu’ calda e al maggiore
gradiente di temperatura. L’altezza della troposfera
varia a seconda delle stagioni e della latitudine.
Questo influenza le possibilita’ dei nostri
collegamenti a lunga distanza. La tropopausa e’ il
limite superiore della troposfera, che contiene le celle
di diffusione in grado di diffondere (Scatter) i nostri
radio segnali. Il limite della tropopausa e’ quindi il
punto piu’ alto dove possiamo trovare queste celle .
Uno dei motivi delle migliori condizioni di propagazione
dei mesi estivi, potrebbe essere dovuto alla maggiore
altezza della tropopausa in estate. A proposito dell’aumento
del radio orizzonte, e’ stato calcolato che per
effetto del riscaldamento dell’aria e del contenuto di
vapore acqueo, il raggio reale della terra di 6375 Km,
possa assumere un valore virtuale due volte e mezzo
maggiore, come se fosse 16000 Km. Questo significa che l’attenuazione
su un percorso puo’ ridursi di ben 60 dB (incremento
di 1000 volte della tensione in arrivo), rendendo un
collegamento a oltre 300 Km di distanza, da impossibile
ad abbastanza buono.
Volume comune
E’ quella zona nella troposfera dove puo’
avvenire la rifrazione del segnale , e’ un’area
ampia e indefinita , e che dipende tra le altre cose
dagli agli angoli di irradiazione delle antenne , e’
legata alle continue variazioni e turbolenze dell’atmosfera
comunque per quanto gia’ detto si puo’ trovare ad
altezze in genere fino a 3 – 4 Km. In quest’area i
fasci d’onda dei corrispondenti si incrociano per cosi
dire in un volume "comune" della troposfera,
il posizionamento in altezza di questa zona , influenza
la distanza del collegamento. Quest’area ha come
limite superiore la tropopausa, sopra di essa, non
essendoci variazioni di alcun genere non puo’ esserci
rifrazione.
Evanescenza
A causa della diffusione del segnale dovuta a
tantissime riflessioni simultanee che possono arrivare
fuori fase al ricevitore, ci puo’ essere una piu’ o
meno forte distorsione del segnale, per avere una buona
ricezione e’ necessario che tutti i piccoli segnali
risultanti dalle micro rifrazioni arrivino in fase al
ricevitore. Il fading lento dei segnali tropo e’ da
attribuire soprattutto ai cambiamenti nelle condizioni
di rifrazione nell’atmosfera, mentre il fading rapido
e’ causato dai movimenti delle irregolarita’ su
piccola scala che sono responsabili del processo di
"scatter".
La diffrazione atmosferica
Da questo fenomeno dipendono i collegamenti fino ad
una certa distanza; distanza che è anche funzione della
potenza irradiata, del guadagno dell'antenna ricevente e
della cifra di rumore del ricevitore. Secondo le teorie
di Schelling, Burrows e Ferrel il coefficiente per il
quale si deve moltiplicare il raggio reale della Terra,
per ottenere il raggio equivalente al percorso
curvilineo delle onde radio rifratte, è una funzione
del gradiente dell'indice di rifrazione; però occorre
tenere conto degli scostamenti non lievi dovuti alle
condizioni geografiche, climatiche, giornaliere e
locali, prodotte dalla natura del suolo. Anche in
condizioni normali, tale coefficiente subisce notevoli
aumenti, se si passa da una zona fredda della Terra ad
una molto calda, ovvero se si prende in considerazione
una zona continentale come la Siberia, dove si hanno i
valori minimi, o la fascia equatoriale del Pacifico,
dove si hanno i valori normali più alti che altrove.
Chiamiamo "N" l'indice di rifrazione. Poiché
ad "N" fa riferimento l'intenstà del campo
ricevuto, con un gradiente di 0,15 dB per ogni
incremento unitario di N, abbiamo nel Pacifico
equatoriale, campi normali che sovrastano di 25 dB
quelli delle terre fredde. In un caso che ci interessa
più da vicino, osserviamo che nel Mediterraneo, le
intensità di campo normale possono essere 15 dB
maggiori di quanto rilevato sulMare del Nord; fra
l'altro, siccome i calcoli teorici si basano sui
valoridedotti da vecchie esperienze condotte sul Mare
del Nord, mentre i valori calcolati nel Mediterraneo al
di sotto del 44° parallelo sono piu' recenti, si puo'
affermare, che nei collegamenti attraverso di esso, si
possono avere normalmente campi più intensi ovvero
portate maggiori del previsto. Osservazioni del genere
vennero fatte nell'anno 1974 da G3LTP sulla costa sud
della Gran Bretagna, che risente l'influsso della
corrente del Golfo: anche in questo caso si trovarono
indici di rifrazione normali più alti di quelli finora
assunti dai vecchi studi. Il gradiente dell'indice di
rifrazione ha variazioni giornaliere e stagionali: esso
sarà ovviamente più elevato nei mesi estivi ed a basse
latitudini; sui mari caldi al meriggio, ed in condizioni
barometriche maggiori di quelle normali. Una favorevole
situazione di propagazione possono essere i condotti che
si formano in quota (100 – 1000 metri) ,dovuti al
rapido cambiamento dell'indice di rifrazione, per
inversione termica. Il fenomeno che produce un forte
aumento del livello dei segnali, ovvero aumenta e di non
poco la portata del collegamento, è quello dovuto alla
"inversione della temperatura: ad una certa quota,
per una fascia più o meno ampia, la temperatura non
diminuisce più in maniera progressiva, ma può anzi
presentare un'inversione di tendenza. In conseguenza di
ciò, si ha una brusca variazione del contenuto di
vapore d'acqua; anche l'indice di rifrazione varia
sensibilmente e quindi i treni d'onde, subendo una
differente curvatura, sono di norma costretti a ricadere
a distanze maggiori di quelle normali. Una inversione di
temperatura che dà luogo ad ottime condizioni di
propagazione, deve presentare almeno 2,8° C di risalita
in 300 metri di quota, ma è un caso non molto
frequente; chi gioca spesso un ruolo primario è invece
il contenuto di vapore che risente anche di inversioni
molto più modeste: è sufficiente la diminuzione di
mezzo grammo di vapore per chilogrammo d'aria, per
causare un salto apprezzabile. Un caso d'inversione
normale è quello si che verifica all'alba: l'aria in
alto si riscalda ai raggi del sole, prima di quella in
contatto con la terra fredda, donde la anormale
variazione dell'indice "N". Nel nostro Paese,
peninsulare, gioca un ruolo importante la convezione che
ha luogo in prossimità delle coste, come presso i
grandi laghi: dopo il tramonto la terra si raffredda
più rapidamente delle masse d'acqua e quindi
"N" subisce una variazione giornaliera, anche
in condizioni atmosferiche normali; qualcosa del genere
ha luogo anche in primavera ed autunno, quando alle
notti fresche succedono i giorni caldi. Un caso
interessante e permanente è quello studiato da I8REK,
che si riferisce ai collegamenti eccezionalmente buoni
che si verificano quando i treni d'onde passano al di
sopra dei più grandi crateri attivi dell'Etna:
l'inversione di tendenza della temperatura, quando
l'atmosfera è tranquilla, in questo caso, è anche fin
troppo evidente. Questi fenomeni, che possiamo definire
normali, si verificano generalmente alle quote
relativamente basse, ovvero sono ristrette a limitate
aree; di conseguenza per rispettare le leggi della
geometria terrestre, abbiamo, è vero, un aumento della
portata, ma raramente al di là dei 250 km, per
trasmettitori di debole potenza; ad ogni modo,
osserverete che le distanze, grazie a questi fenomeni,
sono ora triplicate. Le incidenze maggiori di questi
fenomeni, che possiamo definire locali, si hanno
particolarmente e con grande regolarità nei mesi caldi.
Quando invece le inversioni di temperatura sono dovute a
fenomeni meteorologici, e si verificano ad alte quote,
allora si hanno buone condizioni di propagazione a
distanze di parecchie centinaia di chilometri, con
collegamenti possibili oltre la distanza di 1500 km.
Tali situazioni si verificano specialmente quando masse
d'aria calda di origine africana passano sopra ad una
zona dove ristagna aria più fredda; in tal caso l'area
interessata è molto vasta, le inversioni sono presenti
in molte zone, sicché i treni d'onda favoriti dai
maggiori indici di rifrazione che incontrano, possono
raggiungere distanze grandi con piccola attenuazione:
tale tipo di inversione permette i DX anche con deboli
potenze. Quando lo strato nel quale è presente
l'inversione della temperatura è continuo, circondato
sopra e sotto da aria con gradiente di rifrazione
normale, si produce un "condotto" che, al pari
di una gigantesca guida d'onda, porta i segnali molto
lontano. Sebbene gli OM abbiano particolarmente
sfruttato i condotti nelle gamme 2 metri e 70 cm,
apprendiamo dalla osservazione radar, che anche le
frequenze fino a 10 GHz, possono avvalersi dei condotti,
per coprire grandi distanze. Nel luglio 1973, per 4
giorni consecutivi si sono avuti QSO tra la California e
le Hawaii alla distanza di oltre 4000 chilometri
impiegando stazioni anche di debole potenza e mobili, in
SSB, F.M., telegrafia. La F.M. è stata particolarmente
favorita, perché il condotto interessava anche un
ripetitore 2 metri F.M. da 30W, installato sul Mauna
Haloa (Hawaii) alla quota di 2500 metri. Il condotto è
stato attribuito ad una successione di uragani tropicali
che dal 26 luglio al 1° agosto si sono spostati dal
Messico al centro del Pacifico. Nell'area del
Mediterraneo, seppure in scala più ridotta, si possono
verificare analoghe condizioni, specie nella primavera,
autunno e mesi estivi. Circa le inversioni di
temperatura invernali, abbastanza frequente è il caso
della temperatura che gradualmente diviene più tiepida,
dopo giornate di freddo asciutto; a queste condizioni
atmosferiche, corrisponde la "nebbia in Val
Padana"; per gli OM attenti alle variazioni
meteorologiche, quel periodo significa ottima
propagazione a lunga distanza. Un altro indizio delle
possibili inversioni di temperatura è dato dalle nubi:
con tempo bello persistente da alcuni giorni (area di
alta pressione) compaiono nuvole che dividono il cielo
in due zone distinte; nuvole sparse nella zona
inferiore, zona superiore limpida. L'inversione di
temperature può aver luogo nell'aria limpida, scaldata
dal sole, mentre sotto le nubi l'irradiazione ha
un'influenza minore; tale condizione dà possibilità
favorevoli per i collegamenti a distanza abbastanza
grande se l'area nuvolosa è estesa, e comeaccade nelle
stagioni di transizione, l'aria compresa fra la terra e
le nuvole non è troppo calda. I venti e le condizioni
di maltempo persistente caratterizzano invece cattive
condizioni di propagazione a lunga distanza.La
transizione fra buono e cattivo tempo, può essere
portatrice di buoni collegamenti, anche a lunga
distanza. Un caso tipico è quello di un fronte freddo
che si muove lentamente, per incontrare masse di aria
calda ed umida provenienti da sud-ovest: l'Italia può
trovarsi per uno o più giorni nell'area di transizione
ed allora i segnali guidati fra le due zone con indici
di rifrazione molto differenti, possono arrivare anche a
2000 chilometri di distanza. Situazione tipica di
condotto dovuto all'arrivo di un fronte freddo su massa
di aria calda. Interessanti, in particolar modo, sono i
lenti movimenti delle aree di alta pressione, seguite da
un fronte freddo. Le maggiori probabilità di formazione
della guida d'onda si hanno, in questo caso, nelle zone
in cui il fronte sta per entrare in contatto con masse
d'aria quasi immobili, calde, a contenuto di umidità
pressoché costante: come regola empirica si tenga
presente che, quando il fronte freddo avanza, la
maggiori probabiltà si hanno dopo il passaggio del
fronte sulla località dove si trova la stazione. Quando
il fronte caldo avanza, le maggiori probabilità si
hanno invece davanti al fronte ossia nella zona di
transizione. In entrambi i casi le onde seguono le linee
ortogonali al movimento dei fronti. Invero, il fatto che
onde e.m. seguono di preferenza le linee isobariche è
noto da quasi parecchi anni, in seguito ad uno studio
sistematico di W2BAV che enunciò la sua teoria, su basi
statistiche, nel 1949.
Considerazioni
La troposfera come abbiamo detto non e’ uniforme,
anzi e’ uno strato in continua evoluzione dove entrano
in gioco fenomeni metereologici, di insolazione, cicli
stagionali, morfologia del terreno, ecc.Pertanto a parte
la difficolta’ nel fare delle previsioni attendibili,
diventa a volte difficile distinguere nettamente un tipo
di propagazione dall’altro, che in certi casi possono
avvenire contemporaneamente, permettendo certi
collegamenti.(Inversioni e condotti, producono fenomeni
propagativi mai ben distinti fra di loro).