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Propagazione troposferica

Propagazione troposferica

Su frequenze superiori a 30 MHz, si è riscontrato che la troposfera ha un effetto crescente sui segnali radio e sui sistemi di comunicazione radio. I segnali radio sono in grado di viaggiare su distanze maggiori di quelle suggerite dai calcoli della linea di vista. A volte le condizioni cambiano e i segnali radio possono essere rilevati su distanze di 500 o anche 1000 km e oltre. Questo è normalmente da una forma di miglioramento troposferico, spesso chiamato "tropo" in breve. A volte i segnali possono anche essere intrappolati in un condotto sopraelevato in una forma di propagazione del segnale radio noto come condotto troposferico. Ciò può interrompere molti collegamenti di comunicazioni radio (compresi i collegamenti di comunicazioni radio bidirezionali) perché potrebbero verificarsi interferenze che normalmente non sono presenti. Di conseguenza, quando si progetta un collegamento o una rete di comunicazioni radio, è necessario riconoscere questa forma di interferenza in modo da poter adottare misure per minimizzarne gli effetti.

Il modo in cui i segnali viaggiano alle frequenze VHF e superiori è di grande importanza per coloro che esaminano la copertura radio di sistemi come le telecomunicazioni cellulari, le comunicazioni radio mobili e altri sistemi wireless, nonché altri utenti, inclusi radioamatori.

Comunicazioni radio in linea di vista

Si potrebbe pensare che la maggior parte dei collegamenti di comunicazioni radio in VHF e superiori seguano un percorso in linea di vista. Questo non è del tutto vero e si è riscontrato che anche in condizioni normali i segnali radio sono in grado di viaggiare o propagarsi su distanze maggiori della linea di vista.

La ragione dell'aumento della distanza percorsa dai segnali radio è che vengono rifratti da piccoli cambiamenti che esistono nell'atmosfera terrestre vicino al suolo. Si è riscontrato che l'indice di rifrazione dell'aria vicino al suolo è leggermente superiore a quello più in alto. Di conseguenza i segnali radio vengono piegati verso l'area di indice di rifrazione più elevato, che è più vicina al suolo. In tal modo estende la portata dei segnali radio.

L'indice di rifrazione dell'atmosfera varia in base a una varietà di fattori. La temperatura, la pressione atmosferica e la pressione del vapore acqueo influenzano il valore. Anche piccoli cambiamenti in queste variabili possono fare una differenza significativa perché i segnali radio possono essere rifratti su tutto il percorso del segnale e questo può estendersi per molti chilometri.

N unità

Si è riscontrato che il valore medio dell'indice di rifrazione dell'aria a livello del suolo è intorno a 1.0003, ma può facilmente variare da 1.00027 a 1.00035. In considerazione dei piccolissimi cambiamenti che si vedono, è stato introdotto un sistema che permette di rilevare più facilmente i piccoli cambiamenti. Spesso vengono utilizzate unità chiamate unità "N". Queste N-unità si ottengono sottraendo 1 dall'indice di rifrazione e moltiplicando il resto per un milione. In questo modo si ottengono numeri più gestibili.
N = (mu-1) x 10 ^ 6

Dove mu è l'indice di rifrazione

Si è riscontrato che come guida molto approssimativa in condizioni normali in una zona di temperatura, l'indice di rifrazione dell'aria scende di circa 0,0004 per ogni chilometro di aumento in altezza, cioè 400 N unità / km. Ciò fa sì che i segnali radio tendano a seguire la curvatura terrestre e viaggiare oltre l'orizzonte geometrico. I valori effettivi estendono l'orizzonte radio di circa un terzo. Questo fattore viene spesso utilizzato nella maggior parte dei calcoli di copertura delle comunicazioni radio per applicazioni come trasmettitori radio broadcast e altri utenti di comunicazioni radio bidirezionali come comunicazioni radio mobili, telecomunicazioni cellulari e simili.

Condizioni migliorate

In determinate condizioni le condizioni di propagazione radio fornite dalla troposfera sono tali che i segnali viaggiano su distanze ancora maggiori. Questa forma di "portanza" nelle condizioni è meno pronunciata sulle porzioni inferiori dello spettro VHF, ma è più evidente su alcune delle frequenze più alte. In alcune condizioni, i segnali radio possono essere ascoltati su distanze di 2000 o più chilometri con distanze di 3000 chilometri che sono possibili in rare occasioni. Ciò può dar luogo a livelli significativi di interferenza per periodi di tempo.

Queste distanze estese risultano da cambiamenti molto maggiori nei valori dell'indice di rifrazione sul percorso del segnale. Ciò consente al segnale di raggiungere un maggior grado di flessione e di conseguenza seguire la curvatura della Terra su distanze maggiori.

In alcune circostanze la variazione dell'indice di rifrazione può essere sufficientemente alta da riportare i segnali sulla superficie terrestre, a quel punto vengono riflessi nuovamente verso l'alto dalla superficie terrestre. In questo modo i segnali possono viaggiare attorno alla curvatura della Terra, venendo riflessi dalla sua superficie. Questa è una forma di "condotto troposferico" che può verificarsi.

È anche possibile che i condotti troposferici si verifichino sopra la superficie terrestre. Questi condotti troposferici elevati si verificano quando una massa d'aria con un indice di rifrazione elevato ha una massa d'aria con un indice di rifrazione inferiore al di sotto e al di sopra di essa come risultato del movimento dell'aria che può verificarsi in alcune condizioni. Quando si verificano queste condizioni i segnali possono essere confinati all'interno dell'area elevata dell'aria con un indice di rifrazione elevato e non possono sfuggire e tornare a terra. Di conseguenza possono viaggiare per diverse centinaia di miglia e ricevere livelli di attenuazione relativamente bassi. Potrebbero anche non essere udibili dalle stazioni sotto il condotto e in questo modo creare un salto o una zona morta simile a quella sperimentata con la propagazione ionosferica HF.

Meccanismo alla base della propagazione troposferica

Gli effetti della propagazione troposferica si verificano relativamente vicino alla superficie della Terra. I segnali radio sono influenzati dalla regione che si trova al di sotto di un'altitudine di circa 2 chilometri. Poiché queste regioni sono quelle che sono fortemente influenzate dal tempo, esiste un forte legame tra le condizioni meteorologiche e le condizioni e la copertura di propagazione radio.

In condizioni normali a vi è un gradiente costante dell'indice di rifrazione con l'altezza, essendo l'aria più vicina alla superficie terrestre con l'indice di rifrazione più alto. Ciò è causato da diversi fattori. L'aria con una densità maggiore e quella contenente una maggiore concentrazione di vapore acqueo portano entrambe ad un aumento dell'indice di rifrazione. Poiché l'aria più vicina alla superficie terrestre è sia più densa (per effetto della pressione esercitata dai gas al di sopra di essa) sia ha una concentrazione di vapore acqueo maggiore di quella superiore significa che l'indice di rifrazione dell'aria più vicino a quello terrestre la superficie è la più alta.

Normalmente la temperatura dell'aria più vicina alla superficie terrestre è maggiore di quella a un'altitudine maggiore. Questo effetto tende a ridurre il gradiente di densità dell'aria (e quindi il gradiente dell'indice di rifrazione) poiché l'aria con una temperatura più alta è meno densa.

Tuttavia, in alcune circostanze, si verifica quella che viene definita inversione di temperatura. Ciò accade quando l'aria calda vicino alla terra si alza consentendo all'aria più fredda e densa di avvicinarsi alla Terra. Quando ciò si verifica, dà luogo a un maggiore cambiamento nell'indice di rifrazione con l'altezza e questo si traduce in un cambiamento più significativo nell'indice di rifrazione.

Le inversioni di temperatura possono verificarsi in diversi modi. Uno dei più drammatici si verifica quando è presente un'area di alta pressione. Un'area di alta pressione significa che saranno presenti condizioni meteorologiche stabili e durante l'estate sono associate a un clima caldo. Le condizioni indicano che l'aria vicino al suolo si riscalda e sale. Quando ciò accade, l'aria più fredda fluisce al di sotto causando l'inversione di temperatura. Inoltre si è riscontrato che i maggiori miglioramenti tendono a verificarsi quando l'area di alta pressione si sta allontanando e la pressione sta appena iniziando a diminuire.

Può verificarsi anche un'inversione di temperatura durante il passaggio di un fronte freddo. Un fronte freddo si verifica quando un'area di aria fredda incontra un'area di aria calda. In queste condizioni l'aria calda sale sopra l'aria fredda creando una inversione di temperatura. I fronti freddi tendono a muoversi relativamente velocemente e di conseguenza il miglioramento delle condizioni di propagazione tende ad essere di breve durata.

Dissolvenza

Quando i segnali vengono propagati su distanze estese come risultato di condizioni di propagazione troposferica migliorate, i segnali sono normalmente soggetti a un lento dissolvimento profondo. Ciò è causato dal fatto che i segnali vengono ricevuti tramite numerosi percorsi diversi. Poiché i venti nell'atmosfera spostano l'aria intorno, significa che i diversi percorsi cambieranno nel corso del tempo. Di conseguenza, i segnali che appaiono al ricevitore cadranno in e fuori fase l'uno con l'altro come risultato delle lunghezze di percorso differenti e mutevoli, e di conseguenza la forza del segnale ricevuto globale cambierà.

Qualsiasi segnale terrestre ricevuto in VHF e oltre sarà soggetto alle condizioni di propagazione prevalenti causate dalla troposfera. In condizioni normali ci si dovrebbe aspettare che i segnali possano essere ricevuti oltre la normale distanza della linea di vista. Tuttavia, in alcune circostanze, queste distanze aumenteranno notevolmente e potrebbero verificarsi livelli significativi di interferenza.


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