Słowem wstępu
Propagacja fal radiowych to obszerny temat, szczególnie istotny w krótkofalarstwie, gdzie zrozumienie, jak fale radiowe rozprzestrzeniają się w atmosferze, jest kluczowe dla efektywnej komunikacji.
To zjawisko, które zależy od wielu czynników, takich jak pora dnia, warunki atmosferyczne, czy aktywność słoneczna, wpływa na zasięg i jakość sygnałów. Krótkofalowcy muszą nieustannie dostosowywać swoje techniki nadawcze i odbiorcze, aby maksymalnie wykorzystać zmieniające się warunki propagacyjne.
Zjawisk propagacyjnych jest bardzo dużo, typów rodzajów jest dużo. Fale mogą odbijać się nawet od księżyca i śladach po meteorytach, ale o tym nie teraz. W tym wpisie skupię się na trzech najważniejszych dla początkujących krótkofalowców
I. Propagacja falą przyziemną
Propagacja falą przyziemną występują zawsze gdy antena wypromieniowuje fale radiowe. Zjawisko to występuje zawsze, ale z różnym skutkiem. Czasami jest porządane, czasami nie. Fale radiowe lub ich część po prostu rozchodzą się wzdłuż powierzchni Ziemi. Jest to najprostrza forma propagacji, w której fale radiowe nie odbijają się od jonosfery ani nie są rozpraszane przez atmosferę, lecz podróżują blisko powierzchni ziemi, „ślizgając się” wzdłuż niej.
To zjawisko wynika z różnicy w gęstości i właściwościach załamania fali radiowej między powietrzem a powierzchnią ziemi. Podobnie jak światło gdy przechodzi przez inny ośrodek np. wodę załamuje się. Tak samo dzieje się z falą radiową – zmienia się jej kierunek i prędkość podczas gdy przechodzi z jednego ośrodka (powietrze), które jest mniej gęste do drugiego odśrodka o innej gęstości np. ziemia, budynek bądź przeszkodza. Powoduje to rozchodzenie się fali, zmianę jej kierunku wzdłuż powierzchni, z każdym przejściem przez obiekt, z każdym odbiciem od czegoś sygnał jest słabszy aż w końcu zaniknie. Długość fali, a także właściwości powierzchni ziemi (np. rodzaj terenu, wilgotność), mają kluczowe znaczenie dla efektywności propagacji przyziemnej.
Fale o długiej długości, takie jak fale HF, mogą mieć trudności z efektywnym „ślizganiem się” wzdłuż powierzchni Ziemi, ponieważ są bardziej podatne na tłumienie i absorpcję przez powierzchnię. Z kolei fale o krótszych długościach, takie jak fale VHF i UHF, lepiej radzą sobie z propagacją przyziemną, ponieważ ich długość fali jest bardziej dostosowana do warunków powierzchniowych i mniej podatna na tłumienie.
- Fale HF (3-30 MHz) – słabo efektywne w rozchodzenieniu się wzdłuż powierzchni Ziemi, ponieważ nie „ślizgają się” tak dobrze wzdłuż krzywizny Ziemi i mają większą skłonność do rozpraszania i tłumienia. Są bardziej podatne na absorpcję przez powierzchnię ziemi, co zwiększa ich straty i ogranicza zasięg do kilku-kilkunastu kilometrów.
- Fale VHF (30-300 MHz) – bardzo dobrze propagują się wzdłuż powierzchni Ziemi. Mogą pokonywać odległości do kilkudziesięciu kilometrów w propagacji przyziemnej, z minimalnym tłumieniem, co czyni je odpowiednimi do lokalnej komunikacji.
- Fale UHF (300 MHz-3 GHz) – dobrze propagują się przyziemnie, ale z większym tłumieniem niż fale VHF. Zasięg fal UHF w propagacji przyziemnej jest również ograniczony do kilkudziesięciu kilometrów, a fale są bardziej podatne na wpływ przeszkód i warunków atmosferycznych
- Fale SHF (3-30 GHz) – słabo efektywne w propagacji przyziemnej. Tłumienie fal SHF jest znaczne, a ich główne zastosowanie to komunikacja w linii wzroku (line-of-sight), jak w komunikacji satelitarnej i radarze, z minimalnym zasięgiem przyziemnym.
II. Propagacja poprzez dukty troposferyczne (VHF, UHF)
Propagacja radiowa poprzez dukty troposferyczne to zjawisko, w którym fale radiowe przemieszczają się na znacznie większe odległości, niż byłoby to możliwe w normalnych warunkach atmosferycznych. Dukty troposferyczne powstają, gdy warunki atmosferyczne, takie jak temperatura, wilgotność i ciśnienie, prowadzą do powstania warstw o różnej gęstości w troposferze, powodując zjawisko refrakcji czyli zmianę kierunku rozchodzenia się fali przechodząc między tymi warstwami. Jest to podobne zjawisko jak przy fali naziemnej ale teraz występujące znacznie wyżej gdzie nie ma absorcyjnych przeszkód takich jak ziemia, budynki.
Fale radiowe zostają uwięzione w tych warstwach powietrza, odbijają się od nich i są prowadzone przez nie na duże odległości, co umożliwia komunikację radiową poza horyzontem, często na setki lub tysiące kilometrów umożliwiając krótkofalowcom nawiązywanie łączności dalekosiężnej (DX). Tego rodzaju propagacja jest szczególnie cenna dla radioamatorów, którzy mogą dzięki niej osiągać wyjątkowo dalekie połączenia, często z niespodziewanymi regionami świata.
Propagacja radiowa poprzez dukty troposferyczne najlepiej sprawdza się dla częstotliwości w zakresie fal ultrakrótkich (VHF) i mikrofal (UHF i SHF), czyli od około 30 MHz do kilku GHz. Powodem jest to, że fale o tych częstotliwościach mają odpowiednie właściwości fizyczne, które pozwalają na efektywne uwięzienie ich w warstwach atmosferycznych o zmiennych właściwościach.
Fale radiowe o niższych częstotliwościach (np. HF) mają tendencję do odbijania się od jonosfery lub propagowania się wzdłuż powierzchni ziemi, co ogranicza ich zdolność do korzystania z dukty troposferyczne. Z kolei fale o wyższych częstotliwościach, powyżej kilku GHz, mogą być bardziej tłumione przez atmosferę, zwłaszcza w obecności deszczu lub innych zjawisk meteorologicznych.
III. Propagacja poprzez jonosferę (HF)
Propagacja fal HF (3-30 MHz) odbywa się głównie poprzez odbicie fal radiowych od warstw jonosfery, co pozwala na osiąganie dalekosiężnych połączeń. Jonosfera, będąca zjonizowaną warstwą atmosfery, działa jak lustro, odbijając fale HF z powrotem na Ziemię, co umożliwia ich propagację na odległości rzędu tysięcy kilometrów. Fale te mogą odbijać się wielokrotnie między jonosferą a powierzchnią Ziemi, co dodatkowo zwiększa ich zasięg.
Częstotliwość fal HF ma kluczowe znaczenie dla ich propagacji. Niższe częstotliwości w paśmie HF (np. 3-10 MHz) lepiej odbijają się od jonosfery, co pozwala na stabilne połączenia na duże odległości, nawet w nocy. Wyższe częstotliwości (np. 15-30 MHz) lepiej propagują się w ciągu dnia, gdy jonosfera jest mocniej zjonizowana. Warunki propagacji fal HF mogą zmieniać się w zależności od pory dnia, roku oraz cyklu słonecznego, co ma znaczenie dla krótkofalowców planujących łączności DX.
Aktywność słoneczna ma istotny wpływ na propagację fal HF, głównie poprzez oddziaływanie na stan jonosfery. Jonosfera, kluczowa dla propagacji fal HF, składa się z kilku warstw zjonizowanych przez promieniowanie słoneczne. Intensywność tego promieniowania, które zmienia się w zależności od cyklu słonecznego, wpływa na gęstość i rozkład jonizacji w jonosferze.
Podczas okresów wysokiej aktywności słonecznej, takich jak maksimum cyklu słonecznego, wzrasta liczba plam słonecznych, co prowadzi do intensyfikacji promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego docierającego do Ziemi. To z kolei zwiększa poziom jonizacji w jonosferze, co poprawia odbicie fal HF, umożliwiając dłuższe i lepsze łączności, zwłaszcza na wyższych częstotliwościach w paśmie HF.
W czasie niskiej aktywności słonecznej, jak podczas minimum cyklu słonecznego, liczba plam słonecznych jest mniejsza, co powoduje niższy poziom jonizacji w jonosferze. W rezultacie fale HF mogą mieć trudności z odbiciem się od jonosfery, co ogranicza zasięg łączności. Zmniejsza się także efektywność odbicia na wyższych częstotliwościach, co może prowadzić do gorszej propagacji.
Dodatkowo, aktywność słoneczna wpływa na występowanie zjawisk takich jak burze geomagnetyczne, które mogą zakłócać propagację fal HF, prowadząc w skrajnych warunkach nawet do całkowitego czasowego zaniku właściwości odbijających jonosfery i całkowitym tłumieniu fal radiowych na znaczbym obrzarze ziemi. Krótkofalowcy muszą więc monitorować cykl słoneczny oraz aktywność słoneczną, aby dostosować swoje działania i optymalizować łączności HF.