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Propagazione delle onde radio in VHF e superiori

a cura di I1ANP Mario


Nelle VHF e Superiori, abbiamo l’enorme difficoltà della propagazione delle onde radio, normalmente la ionosfera si lascia attraversare dalle onde elettromagnetiche in VHF che vengono inviate dalle stazioni sulla terra. Pertanto la logica ci porterebbe a concludere che sarebbero possibili collegamenti soltanto in linea retta, tra due punti in ottica tra di loro, come scrivono i vari libri. Ho usato il condizionale, proprio perché la ionosfera NON  sempre come dire … normale. Ma alle volte, si comporta in maniera anormale, sia per ragioni sue, che per ragioni indotte.
La propagazione  è legata a variazioni della ionosfera e sono state rilevate da sperimentazioni effettuate dai radioamatori.

 

Fenomeni legati alla ionizzazione dello strato E dell'atmosfera

Fenomeni legati alla ionizzazione sporadica dello strato F2


Fenomeni legati alla ionizzazione dello strato E dell'atmosfera


Q. Meteor Scatter

Viene definito così il sistema di collegamento radio oltre l’orizzonte ottico, in VHF/UHF, utilizzante le tracce ionizzate delle cosiddette stelle cadenti.
La terra, ogni anno, nella sua rivoluzione attorno al sole, attraversa centinaia di orbite abitate da corpi celesti, definiti meteoriti. Anch'essi con differenti inclinazioni, in rivoluzione attorno al sole. Quando la terra interseca una di queste orbite (ciò succede praticamente una volta ogni anno, per ogni orbita, e mai nel solito punto dell'anno prima) avviene l'impatto. Cioè lo scontro tra il nostro pianeta e tutto ciò che è presente sul suo cammino, la velocità di impatto varia, a seconda dello sciame, da 15/20 a 70/80 Km al secondo, (su questa velocità incide anche la rotazione terrestre) per la maggior parte sono corpi fortunatamente piccoli, entrando nell’atmosfera terrestre ne vengono frenati fino al surriscaldamento ed il loro incenerimento. Sequenzialmente: prima la meteora nell’impatto nell’alta atmosfera inizia a scaldarsi e si abla di alcune parti mentre si scalda ionizza lo strato che attraversa, poi surriscaldandosi brucia e si incenerisce, quando brucia diventa per noi visibile da terra, la classica stella cadente, i rimasugli poi cadono a terra per effetto dell’attrazione terrestre, ogni anno abbiamo circa 2000 tonnellate di polvere che cadono sul nostro pianeta , dovute a questo fenomeno.
La parte che a noi interessa è la prima, quando entra negli alti strati dell’atmosfera ed inizia ad ablarsi ed ionizzare per sfregamento l’alta atmosfera generando al suo passaggio una specie di tubo ionizzato, piu’ o meno grande, che serve per riflettere i segnali radio e rimandarli verso terra ( nessuno ricorda a scuola strofinando la biro di plastica su un capo di lana e poi si attiravano i pezzetti di carta assorbente …), quando inizia a bruciare ed a diventare luminosa, per noi radioamatori ha già dato ….
Per comodità si usa dare il nome agli sciami meteorici, esaminando dalla terra cosa c’è dietro nel cielo in quel momento, quello si chiama punto radiante, sembra che tutte le meteore vengano da lì, per cui lo sciame delle Geminidi, perche’ sembra che vengano dalla costellazione dei Gemelli, lo sciame delle Perseidi, perche’ sembra vengano da Perseo, le Liridi dalla costellazione della Lyra, ecc., ma ripeto è solo un modo nostro terrestre di definire la cosa, la lista degli sciami meteorici sono pubblicati dalla IMO, chiunque puo andare a farsene un’idea, mentre anni fa (anni 70) i collegamenti avvenivano in CW alta velocità HSCW, oppure in SSB, oggi si lavora quasi totalmente in digitale ed in SSB. Per dare un’idea della situazione, una meteora del peso di un grammo genera una scia ionizzata con una riflessione di segnali da S9 (scala Smeter) per circa 10 secondi in 144 MHz, siccome la frequenza e’ molto influente in 432 MHz la solita meteora genera una riflessione molto attenuata rispetto ai 144, di circa 1/2 secondi, con un’intensità di S2, mentre in 50 MHz la stessa meteora genera una riflessione da più di 30 secondi con segnali oltre l’S9 .
La scia della meteora deve essere al traverso tra noi e l’eventuale corrispondente e l’inclinazione dove avviene la riflessione è di circa 45 gradi, calcolando che l'altezza dove avvengono le ionizzazioni è intorno ai 50/90 Km per cui sono possibili qso e/o ascolti di stazioni entro i 2300 Km in 144 MHz, la distanza più corta resta all’incirca sui 7/800 Km, per tentare stazioni a distanze minori si cercano sistemi diversi tipo la riflessione da dietro, di fianco, oppure elevando l’antenna, ecc., in ogni caso l’antenna va puntata sull’orizzonte ottico dove si vuole ascoltare, senza elevazione, questo ci da la possibilita’ di arrivare il piu’ distante possibile .
Oggi in digitale si adoperano programmi tipo FSK441, che permettono qso con riflessioni molto corte, che una volta, in SSB o HSCW erano solo sufficienti a segnalare che c’erano riflessioni (per cui meteore) e che qualcuno era in frequenza ( una o più stazioni che stavano trasmettendo) chiamate ping, dal suono classico che si sentiva l’antenna; è sufficiente un’antenna non ad elevato guadagno, in 144 MHz una 8/10/13 elementi va più che bene, puntata sull’orizzonte, nella direzione voluta, ci puo far ascoltare e collegare stazioni distanti anche 1400 Km o più, nelle mie esperienze avevo completato in ssb un qso in 7 minuti con una stazione tedesca del Baltico che usava 20 watt ed una 9 elementi .
Il qso, per norma internazionale è valido quando le due stazioni si scambiano nominativi, rapporti e conferma, per cui è chiaro che i qso in questo modo non sono come una chiacchierata in 40 metri, ma si risolvono in maniera molto stringata, in pratica uno chiama l’altro, trasmettendo i due nominativi. Se l’altro li riceve rimanderà i due nominativi con i rapporti, dalla parte di qua si inviano i due nominativi e una R che precede i rapporti, l’altro conferma con una serie di RRRRR, il qso è valido e finito, alcune volte si inviano anche i 73 ed altre cose, in periodi di molte riflessioni/ora, i qso a volte durano 5/10 minuti a volte 30 secondi, a volte anche 20/30 minuti, dipende dal numero delle riflessioni utili in quei momenti, alcuni sciami nel loro momento migliore, detto Centro Sciame, arrivano a oltre 100 corpi ora che colpiscono la terra, a volte più a volte meno. Abbiamo una serie di sciami conosciuti molto densi e una serie di sciami meno densi ormai declassati a meteore sporadiche, in quanto meno attivi. Nel periodo aprile/agosto, c’è la possibilità di fare qso praticamente tutti i giorni, tra gli sciami e le meteore sporadiche le riflessioni sono sempre presenti .



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Q. E SPORADICO

Si definisce nel nostro campo radioamatoriale, il fenomeno che permette la riflessione di segnali radio, per collegamenti oltre l’orizzonte ottico, è in pratica uno strato di particelle, i cosiddetti rimasugli delle meteore o stelle cadenti, (che incontrate dalla terra nella sua rivoluzione intorno al sole, impattano e si inceneriscono nell’alta atmosfera ) che si forma in sospensione a circa 90/120 Km di altezza, l’altezza appunto dello strato E della Ionosfera, che normalmente si lascia attraversare dalle frequenze oltre i 30 MHz, a volte anche sotto i 30 MHz. Viene appunto definito E Sporadico, perché normalmente lo strato c’è sempre ma non permette niente, i segnali lo perforano e si perdono nello spazio, in queste occasion definiamole particolari esiste e permette qso, riflettendo verso terra i segnali radio, anche qui la frequenza gioca il suo ruolo, più è alta la frequenza in MHz e meno dura la riflessione, nel senso: si può avere un Es di un’ora di durata in 144 MHz ed una giornata intera o più di ES in 50 MHz, in 144 MHz alcuni degli Es migliori da me lavorati mi hanno permesso di lavorare in SSB le Canarie EA8 piu volte, sono circa 3000 Km, mentre in 50 MHz può occasionalmente allungarsi la distanza e soprattutto la durata, un Es in 50 MHz sarà sempre più duraturo nelle frequenze inferiori; vedi HF 28 MHz, 21 MHz, questo prende il nome di MUF: Massima Frequenza Utile di lavoro, per cui se abbiamo un Es con una MUF di 90 MHz, sotto quella frequenza sono tutte buone ed attive in quel momento .
E’ molto frequente nei mesi estivi avere aperture di Es in 50/70 MHz durante tutta la giornata, con direzioni diverse, ora vediamo il perché; quando le meteore entrano negli alti strati e cominciano ad ablarsi, ciò che perdono nella fattispecie gli ioni metallici restano per cosi dire in sospensione, questi scarti si accumulano in aree ben definite formando una nuvola appunto tra i 90 e 130 KM di altezza, l’altezza dello strato E ionosferico, perché?, perché questi ioni metallici se in quantità sufficiente iniziano a riflettere i segnali radio dalle frequenze più basse in MHz a salire, man mano che lo spessore della nuvola aumenta riflettono frequenze superiori, la terra non ha una omogeneità nel suo magnetismo per cui sempre lassù queste particelle si addensano in aree geomagnetiche maggiori, nel senso che come una calamita vengono attirate (le particelle) in questi punti particolari, (le mappe del territorio dell’ENI, Ente Nazionale Idrocarburi definiscono molto bene le aree di differente geomagnetismo della terra, a loro serve per scoprire i giacimenti di petrolio, a noi per sapere dove vanno ad addensarsi le particelle ) per cui sapere dove puntare le antenne, sempre per l’effetto dell’attrazione terrestre iniziano la loro discesa verso terra, questo fenomeno è ripetitivo, per cui ogni anno abbiamo in occasione dello sciame mateorico, le riflessioni meteoriche, la formazione di Es, più o meno importante a seconda della densità delle particelle, ergo del numero delle meteore che impattano.



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Q. F.A.I. Field Alignement Irregular.

Come ultima conseguenza dell'E sporadico  si genera un altro fenomeno: le particelle in caduta verso terra in alcuni punti ben definiti formano come un cono con il vertice verso terra, per rendere l’idea come il vortice di una tromba d’aria formato esclusivamente dalle particelle di prima che si avvitano verso terra, potendole vedere assomiglierebbero ad un cono gelato ed al tramonto del sole in quota, queste particelle colpite dai raggi radenti dello stesso, creano un ultimo punto di riflessione, definito FAI tradotto: campi elettromagnetici non allineati. Cosa succede, puntando l’antenna su queste zone ben definite di alto magnetismo (sempre riferito alle parti circostanti) ed a seconda della distanza dal fenomeno necessita di elevazione delle antenne, si adopera il cono come riflettore, alcuni esempi; dalla zona sopra la città di Ginevra in Svizzera si forma tutti gli anni questo evento più volte, alcune volte anche per diversi giorni, solo al sera dopo le 18/19 utc, l’altro punto è sopra la città di Budapest in Ungheria, sempre in concomitanza degli sciami meteorici, io per puntare e lavorare su Ginevra devo elevare le antenne di circa 10/15 gradi, mentre per chi sta più a sud o più distante dell’evento l’antenna resta orizzontale senza elevazione, i torinesi ad esempio devono elevare anche 25/30 gradi, questo fenomeno mi consentiva di collegare in 144 MHz tutta la parte nord della Spagna sia in CW che SSB, con segnali variabili fino a s9 e la Normandia in Francia, lasciando l’azimuth sempre fermo su Ginevra, cambiando l’elevazione di pochi gradi sparivano queste stazioni ed iniziavo a lavorare l’est europeo; la zona di Belgrado , la Grecia, ecc. ... alla mezzanotte circa, in pratica quando il sole tramontava in quota sull’area geomagnetica interessata cessava istantaneamente il fenomeno, come chiudessero una saracinesca .


Mappa delle anomalie geomagnetiche


La mappa è stata pubblicata nel 2007 ed è il frutto della raccolta di 50 anni di osservazione di questi fenomeni. Un team internazionale, grazie anche ad un satellite appositamente lanciato in orbita, ha potuto mappare le anomalie geomagnetiche mondiali. Come sipuò notare dalla legenda i dati sono stati elaborati in colori basandosi sul magnetismo misurato in nanoTesla, i colori rossi evidenziano alta attività geomagnetica e il blu a bassa attività.

Le linee bianche evidenziano le placche terrestri.

 

 

L'Italia, come si vede dalla mappa ha parecchie zone ad alta attività geomagnetica, prevalentemente lungo il tratto appenninico.



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Q. IONO SCATTER

Si tratta di una variabile dell’Es, in parole povere si riescono a fare qso, con segnali molto bassi e deboli, puntando l’antenna sul corrispondente, per circa 1500 Km di distanza, questo sistema abbisogna di stazioni super dotate, nel senso che i segnali sono molto bassi e necessita potenza e sensibilità in ricezione sopra la media, presumo si tratti di formazioni di Es, molto poveri, al limite della possibilità, per cui l’alta potenza e la sensibilità delle stazioni supplisce la scarsità delle riflessioni, qui a volte concorrono anche le condizioni della tratta, alta pressione, ecc. ...



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Q. Come si lavorava l'E sporadico ai tempi pionieristici (anni 60 e70)

Eravamo negli anni 60/70, senza fare una dettagliata retrospettiva vorrei far presente che a quel tempo, avere una direttiva VHF (per i 144 MHz) unica frequenza allora in concessione agli italiani, era un bene primario. La vecchia 6 elementi Fracarro era una delle più usate sul mercato, i preamplificatori erano ancora da venire, il cavo TV o la piattina TV (300 ohm) venivano adoperati anche in HF, inoltre non esisteva l’SSB e si lavorava in AM e CW. Chi possedeva un ricevitore, tipo BC348, convertitore e trasmettitore rigorosamente a valvole ovviamente, era quasi da considerarsi sopra la media! Io lavoravo con un autocostruito in AM a quarzo, a transistor (600 mW di uscita in TX) . Il ricevitore era costituito dai telaietti Philip per l’FM (qualcuno se li ricorda?) sempre a transistor, modificati per i 144 MHz.
Poi sono salito a 3 watt di potenza. In seguito ad un centinaio, con le valvole, 829B e le QQE06/40, nel frattempo era arrivata anche l’SSB, qualche anno dopo comparve l’IC202 della Icom, subito adottato per l’eccezionale ricevitore , dati i tempi.
Anche allora c’erano le aperture di E sporadico ... Ricordo che le interpretazioni del fenomeno vertevano prevalentemente sulle condizioni atmosferiche, l’alta pressione ed altre amenità ...
Purtroppo iniziava solo allora, da parte dei radioamatori l’osservazione e la sperimentazione per capire il fenomeno.
Il Meteor Scatter in CW, si faceva con il Gelosino (piccolo registratore a due velocità , a bobine, costruito all’epoca dalla John Geloso naturalmente a valvole), con un oscillofono si registravano dei loop di nastro, con dei marchingegni meccanici, composti da molle e pulegge, si allungavano i rinvii, di conseguenza la lunghezza del nastro formante il loop, sì da farci stare la chiamata ripetitiva. Quando si passava in ricezione bisognava esser veloci nel togliere il loop della chiamata ed inserire le due bobine per registrare, durante il periodo di ricezione le possibili riflessioni. Se si era ricevuto qualche cosa si riascoltava quella porzione di nastro, non prima di aver abbassato la velocità di quest’ultimo (non potete immaginare il trambusto che ne derivava ...). I più abbienti ne avevano due di registratori uno per la ricezione ed uno per la trasmissione, la velocità massima in CW era 400/500 LPM ed uno sked durava 2 ore!!!, i periodi di ricezione e trasmissione erano di 5 minuti l’uno.
Naturalmente l’uso di questa tecnica era subordinato alla presenza della rete luce, oppure un convertitore CC CA per alimentare tutte la apparecchiature (il registratore di sicuro).
Poi con gli anni si modificarono ed autocostruirono dei tasti elettronici con memorie, a velocità variabile, per cui il registratore era un registratore a cassette modificato nella velocità, più tardi un registratore digitale dedicato fatto da un tedesco, si riusciva a trasmettere e ricevere a 1200 lpm in CW, gli sked duravano 1 ora o mezzora.
D’obbligo fu abbonarsi ad una rivista europea, a quei tempi all’avanguardia: “VHF Communication“, 4 numeri all’anno, senza pubblicità fatta dai radioamatori per i radioamatori, in tedesco ed inglese, dove trovai negli anni '70, notizie su attività in 50 MHz tra Australia e Giappone, con la sperimentazione in corso (noi non avevamo i 50 MHz) e la volontà di provare su frequenze più alte. Qui in Italia, l’unico a crederci veramente fu I4EAT Fausto, prese accordi con stazioni del Sud Africa e della Namibia.
Rammento che venne deriso, o perlomeno preso come un poverino che perdeva il suo tempo. Invece, dopo giorni e giorni di prove, la cosa avvenne!!! Conservo ancora la registrazione di ZS3B, arrivava qui alla Spezia molto bene e per 28 minuti, sempre in chiamata, modo beacon. E allora tutti a chiamarlo, almeno chi poteva a 28.885 MHz allora frequenza di appoggio (internet era ancora da venire). Niente (più tardi si venne a sapere il perché; era fuori casa ed aveva lasciato la stazione in funzione in automatico!!!). Il giorno dopo, con condizioni di propagazione molto misere ci fu un’altra apertura e I4EAT riuscì nel qso.
Mi viene da sorridere ancora oggi, quando penso alle condizioni tecniche che adoperavamo a quei tempi ed i risultati ottenuti. Certo, avevamo avuto condizioni di propagazione molto buone (scoprii dopo, che eravamo nel picco del ciclo solare di allora).

 



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Fenomeni legati alla ionizzazione sporadica dello strato F2


Q. T.E.P. Trans Equatorial Propagation

Sempre il sole durante il suo passaggio sull'equatore geomagnetico nel suo spostamento tra estate ed inverno, è responsabile della possibilità di una enorme bolla ionizzata sopra l’equatore a livello dello strato F2, durante il soltizio e l’equinozio, che in primavera ed autunno permette lungo i meridiani e non, la possibilità di collegare le nazioni dell'emisfero sud (sud Africa nel nostro caso) con l'emisfero nord, questo tipo di propagazione è denominata TEP, da Trans Equatorial Propagation, avviene un effetto fontana (vedi disegno) generato dal sole sull’equatore geomagnetico, che è posizionato differentemente dall'equatore fisico. In 144 MHz diverse stazione italiane hanno sfruttato il fenomeno, io purtroppo ho solo fatto ascolto e quando ho provato, ho avuto qrm deliberato da stazioni romane sulla frequenza, naturalmente chi era più a sud aveva molte possibilità in più un esempio; i greci racimolavano 20/30 aperture anno, i romani una decina/quindici, da me erano non più di 5 o 6, le più forti. Solite possibilità hanno nelle americhe tra il nord e sud america. Dopo che ci hanno concesso i 50 MHz le aperture su questa banda sono in numero maggiore che in 144 MHz, in pratica per noi puntando a sud l’antenna il segnale riesce in quota sul tropico Cancro e Capricorno da una parte e dall’altra, ad entrare in questo condotto che si forma sopra all’equatore geomagnetico, che non corrisponde a quello fisico, a livello di strato F2, questo condotto trasla i segnali da una parte e dall’altra con una attenuazione accettabile per cui è possibile in condizioni normali di TEP, fare qso con le stazioni a nord ed a sud dei due tropici e tutte le località in vista con esso in quota, in pratica è possibile fare qso di 8000 Km, a volte più (vedi disegni).
Altro fenomeno, generato sempre del Sole è l’Aurora Boreale, che per effetto delle tempeste magnetiche a seguito di eruzioni , inviate dal sole verso la terra ionizzano vasti strati intorno ai poli terrestri, nella mia vita radiantistica ho avuto anche la possibilità di vivere questa esperienza per ben 3 volte in tempi diversi dalla città, naturalmente in CW, il segnale per effetto della diffrazione del segnale si distingue come un soffio molto più forte del rumore di fondo del ricevitore oppure come un segnale in CW molto distorto, infatti i rapporti che si passano in questo tipo di qso, che avviene normalmente il rapporto passato è per esempio: 59a, 39a 55 a, ecc., proprio perché la nota telegrafica è praticamente distorta o assente ed il terzo 9, che normalmente viene dato per la purezza della note emessa in CW non esiste, il puntamento dell’antenna avviene nella direzione delle riflessioni, che non necessariamente è quella reale, si punta in pratica la nuvola luminosa dell’aurora boreale (se si vede), oppure nella direzione dove si sentono i segnali, oppure normalmente durante l’evento viene segnalato da chi fa attività la direzione in gradi dell’evento, qui si riescono a fare qso da 3/800 a 1000 Km o più.




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 By I1ANP Mario