Una precisazione prima di iniziare. L’uso del termine "etere" lo intepreto nel senso poetico e nostalgico del vocabolo poichè da quasi cento anni sappiamo che fisicamente non esiste.
E’ noto che i sistemi di comunicazioni radio sono soggetti ad alcuni effetti, originati dall’atmosfera, che causano affievolimenti e/o distorsioni sul segnale ricevuto.
Per quanto riguarda la ricezione televisiva in banda UHF (470-860 MHz) distante anche un centinaio di chilometri dall’antenna trasmittente le garantisco che il segnale non subisce nessuna attenuazione/distorsione a causa dall’aumento anche eccessivo della temperatura.
Non vi è nessun assorbimento dissipativo da parte dell’atmosfera dovuto a elevate temperature dell’aria verso le onde radio ( si ha assorbimento solo se piove e comunque sopra i 10 GHz oltre a vari fenomeni sopra i 22 GHz).
Ciò che cambia è solo la stratificazione della costante dielettrica dell’aria.
Sicuramente lei si riferisce a una ricezione ancora di tipo analogico e con una distanza dalla trasmittente superiore, non di poco, ai 100 Km.
Che l’alta temperatura accorci la vita degli apparati radio elettronici è risaputo ma, se il progetto è corretto, gli aumenti di temperatura non provocano variazioni avvertibili del guadagno di amplificazione dell’impianto d’antenna.
Vediamo nel modo più breve e semplice possibile, ma rigoroso, come può accadere.
L’indice di rifrazione, n, è il rapporto tra la velocità di propagazione, v, nel mezzo, rapportata a quella del vuoto, c. Quindi v=c/n. La legge di Snell afferma che un raggio che attraversa due mezzi trasmissivi caratterizzati da valori d’indice di rifrazione decrescente è deviato dalla sua direzione di propagazione secondo quanto riportato in figura.
Ciò significa che, nel caso di ricezioni di onde elettromagnetiche terrestri, la propagazione è influenzata da variazioni dell’indice di rifrazione dovute all’atmosfera incurvando la traiettoria della linea ottica che collegava l’antenna trasmittente con quella ricevente.
L’indice di rifrazione è collegato alla costante dielettrica relativa, ε, del mezzo dalla relazione:
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L’aria è un insieme di molti elementi e per i calcoli che faremo li considereremo gas perfetti. Sotto queste condizioni, possiamo affermare che:
La polarizzazione elettrica di ogni componente i-esima dell’aria è indipendente dalle altre ed è proporzionale a
La polarizzazione dell’aria è la somma delle polarizzazioni di tutte le componenti.
2
Per i gas non polari la polarizzazione è dovuta alla formazione di dipoli elettrici quando è applicato un campo elettrico.
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Dove K, A e B dipendono dalla natura del gas.
Dato che tutti gli elementi sono non polarizzati ad eccezione del vapore acqueo, che cambia da strato a strato, e del CO2 che dà un contributo di polarizzazione minimo, il risultato finale è il seguente:
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Dove e, è la pressione parziale di vapore acqueo (hPa), Pc è la pressione di CO2 e Pd è la pressione parziale di altre componenti.
L’equazione 1 può essere riscritta:
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Questa equazione è importante poiché mette in relazione il valore dell’indice di rifrazione con: pressione, temperatura e vapor acqueo che è l’unico termine che spesso è incognito. In base a ciò che si conosce, vi sono diversi sistemi di come ricavarlo. In breve posso dire che tutti i modelli, le procedure e i dati statistici raccolti dei vari parametri per ogni zona del pianeta sono in continuo aggiornamento. Specie in questi ultimi anni a causa del cambiamento climatico. Graze ai miglioramenti delle radiosonde, alla potenza di calcolo per elaborare tutti gli effetti delle variazioni di pressione temperatura e umidità verso altezza, tempo e spazio, i parametri utili alla progettazione di sistemi radio troposferici sono sempre più affidabili (Raccomandazioni ITU che trovate nella bibliografia).
Il fronte d’onda elettromagnetica di una ricezione radio in banda UHF-TV, considerando le distanze massime ed i lobi d’irradiamento delle antenne sulla superficie terrestre, interessa una sezione verticale che inizia dal terreno fino ad un’altezza di circa 2-4
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In condizioni di atmosfera normale l’indice di rifrazione n, diminuisce linearmente al variare dell’altezza , G ha un valore costante di – 40 Nu/km. Ciò significa che il fascio viene sempre curvato verso il basso con un raggio di curvatura di quattro volte il raggio medio terrestre ( 4*6375=25.500 Km). Per sistemi radio in visibilità ottica entro i 200 Km lo si può considerare un percorso rettilineo. In questa situazione, per un’antenna ricevente posta nella direzione di massimo valore di campo ricevuto, la relazione che lega la distanza, guadagni antenna con la potenza ricevuta è la formula di Friis
Propagazione sub rifrattiva
Propagazione super rifrattiva
Qui la temperatura deve aumentare con l’altezza (advezione calda) causando il fenomeno dell’inversione termica. Oppure si deve verificare una diminuzione del volume del vapore acqueo o entrambe le cose. Le isobare cominciano a curvarsi verso l’alto poiché l’aria più calda è meno densa dell’aria fredda. La condizione è un indice di rifrattività N che decresce con la quota più velocemente delle condizioni normali. Un esempio è un passaggio di aria fredda sopra una massa di acqua calda (laghi, mari nel periodo estivo) che da luogo all’evaporazione incrementando l’umidità atmosferica causando un incurvamento dei raggi verso l’alto. Si entra nella zona di super rifrattività per valori di G <= -79 NU/km. La super rifrazione provoca pure riflessioni con gli strati dell’atmosfera e con il terreno. Per G<= – 157 Nu/km si entra nell’ interessante scenario dei condotti (Ducts).
In una mia esperienza professionale d’analisi della propagazione sul mediterraneo constatai, in un fine agosto del 1996, come i segnali televisivi provenienti dall’antenna di Palma di Majorca erano ricevuto fortemente attenuati a Ibiza con una pessima qualità di visione. A Barcellona dove in atmosfera standard la TV di Palma non era ricevibile, il segnale si presentava con un’intensità tale da vedere perfettamente l’immagine. Il gradiente G arrivò a -172 Nu/km. Con questi valori il raggio rimane “imprigionato” fra due strati generando un tipo di propagazione guidata che può essere assimilata a quella delle guide d’onde. Si era formato il fenomeno dei condotti che durò per tutto il mese di settembre.
Gianfranco Verbana
Bibliografia:
-Raccomandazione ITU-R P530-12 (2009). Propagation and prediction methods required for design of terrestrial line -of-sight system
-Raccomandazione, ITU-R P.453-8. The radio refractive index.
-Raccomandazione ITU R P.835-9. Referenze standard atmospheres.
–http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=2763
– http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8659
–http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=12548
–http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=8911
–http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=3181
–http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=12754