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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA O papel da ionosfera nas comunicações de rádio de longo alcance. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / recepção de rádio A transmissão de rádio em longas distâncias só é possível devido à existência de camadas reflexivas na parte superior da atmosfera terrestre. Essas camadas se formam porque os raios ultravioleta da luz solar quebram algumas das moléculas do gás em partículas carregadas positivamente – íons – e elétrons. Este processo é chamado de ionização, e a região ionizada da atmosfera é geralmente chamada de ionosfera. As ondas de rádio, penetrando na ionosfera, são refratadas e, com ionização suficiente, podem retornar à Terra. A Figura 1 mostra três casos possíveis de trazer ondas de rádio para a ionosfera, dependendo do grau de ionização.No caso "a" a ionização é fraca e as ondas passam pela camada, curvando apenas ligeiramente seu caminho.
No caso “b” a ionização é suficiente para que as ondas sejam refletidas e retornem à terra e, por fim, no caso “c” a ionização é tão forte que as ondas são completamente absorvidas.
Na Fig. A Figura 2 mostra o caminho de duas ondas de rádio com comprimento de 20 e 10 metros com certo grau de ionização. Ondas de 20 metros de comprimento (linhas sólidas) são refletidas da ionosfera e retornam à Terra, (ondas de 10 metros de comprimento (linhas tracejadas) são apenas ligeiramente dobradas pela camada e vão para o espaço interplanetário. Todas as ondas com mais de 20 metros também serão refletido, e ondas menores que 10 metros penetrarão na ionosfera. Quanto menor a frequência transmitida, maior a probabilidade de reflexão e quanto mais forte a ionização na camada, maior a frequência ainda será refletida a partir dela. ZONA DE SILÊNCIO O ângulo em que as ondas de rádio atingem a camada ionizada é essencial. Uma zona silenciosa ocorre quando há ionização insuficiente para refletir as ondas incidentes em ângulos acentuados, mas as ondas incidentes em ângulos pequenos ainda serão refletidas. Como mostrado na Fig. 3, todas as ondas emitidas pela antena em um ângulo maior que algum ângulo crítico passam através da camada, e as ondas emitidas em um ângulo menor retornam ao solo.
Antes da zona de silêncio, os sinais são ouvidos apenas nas imediações do transmissor devido à onda de superfície. Muitas vezes é observado que um raio incidente na Terra no ponto A é refletido em sua superfície, entra novamente na camada, é refletido novamente e retorna à Terra no ponto B. Reflexões duplas, três e múltiplas desse tipo muitas vezes ocorrem quando a transmissão em altas frequências, especialmente em longas distâncias. Na Fig. 3 mostra que o sinal também pode atingir o ponto B após uma única reflexão. Se ambos os sinais que chegam ao ponto B tiverem intensidade aproximadamente igual, poderá ocorrer um desvanecimento muito forte devido à interferência. Pela largura da zona de silêncio, pode-se avaliar aproximadamente as condições de passagem de ondas de diferentes faixas, ouvindo apenas uma delas. Suponhamos que estações localizadas a apenas 20 km de distância possam ser ouvidas num raio de 200 metros. Isto indica que, com tal ionização, os sinais em comprimentos de onda de 10 metros provavelmente também retornarão à Terra. É verdade que nessas frequências a zona de silêncio provavelmente se estenderá até 2000 km. Se existe uma zona morta muito estreita em ondas de 20 metros, então para ondas de 40 metros não existe zona de silêncio. Quando a zona de silêncio se estende por uma longa distância, ouvimos apenas estações distantes. À medida que a ionização aumenta, ela se estreitará e estações próximas começarão a aparecer. Ao mesmo tempo, começaremos a perder estações distantes por dois motivos. Em primeiro lugar, eles ficarão obstruídos com estações próximas barulhentas e, em segundo lugar, a alta ionização causa a absorção de sinais de estações distantes que percorrem longas distâncias em áreas ionizadas. Quanto maior a zona morta e maior a frequência de operação, maior será a probabilidade de comunicação de longa distância. Como a ionização nas camadas superiores da atmosfera é causada pela radiação solar, as condições para a passagem de ondas curtas durante a noite e o dia serão nitidamente diferentes. Consideremos, por exemplo, uma mudança nas condições de comunicação durante um dia normal de inverno. Nas primeiras horas da manhã, antes do nascer do sol, a ionização é muito fraca. Nesse caso, o alcance de 10 metros estará completamente morto, e em 20 metros você poderá ouvir apenas algumas estações muito distantes. Contudo, para frequências mais baixas a ionização será suficiente para a operação normal. Assim, em ondas de 40 metros haverá boas condições para comunicação de longa distância, ondas de 160 metros também passam bem. À medida que o sol nasce, a ionização começa a aumentar rapidamente e atinge o seu máximo à tarde. À medida que o meio-dia se aproxima (a zona morta diminuirá em todas as bandas e cerca de duas horas após o nascer do sol, a ionização é suficiente para refletir ondas na faixa de 10 metros. Por volta do meio-dia, a banda de 20 metros será preenchida com estações relativamente próximas e longas -a comunicação à distância é possível em metros 10 neste momento. Após o pôr do sol, a ionização diminuirá à medida que a redução reversa de átomos e moléculas neutras começa. A zona de silêncio se expandirá gradualmente para cada faixa. Primeiro, a recepção de ondas de 10 metros irá parar e depois de 20 metros. TEMPESTADE MAGNÉTICA Em alguns dias, durante a recepção de rádio, você pode observar que o número de estações amadoras na faixa é drasticamente reduzido em comparação com dias normais, todos os sinais desaparecem muito, muitas estações ouvidas constantemente desaparecem e novas estações, principalmente distantes, que nunca foram recebidas antes de aparecer. Esses fenômenos são causados por tempestades magnéticas, durante as quais o campo magnético terrestre, geralmente bastante estável, sofre fortes alterações. As tempestades magnéticas são sempre acompanhadas por uma diminuição da ionização. Como resultado, a zona silenciosa se expande e as condições de propagação noturna podem continuar durante todo o dia. Durante uma tempestade magnética, as estações nas bandas de alta frequência geralmente desaparecem muito mais cedo do que em dias normais. A 20 metros existem boas condições para comunicação de longa distância por volta do meio-dia, enquanto em dias normais neste horário só é possível trabalhar em distâncias de até 2000 km. A tempestade magnética dura de um a vários dias. Perturbações na ionosfera que ocorrem durante este período causam desvanecimento significativo, acompanhado por muitas distorções. A comunicação em distâncias curtas costuma ser interrompida e para funcionar foi necessário mudar para ondas mais longas. CAMADAS REFLETORES E IONIZAÇÃO ANÔMALA A ionosfera geralmente consiste em várias camadas ionizadas. Destas, as camadas E e F desempenham o maior papel na propagação das ondas de rádio.A altura da camada E acima da superfície da Terra é de cerca de 100 km e a camada F é de 220-240 km. Essas camadas não são afetadas pelo clima próximo à superfície da Terra. Durante o dia, a camada F se divide em duas camadas F1 e F2; o primeiro deles fica um pouco abaixo do segundo. A camada F2 é ionizada mais fortemente do que as camadas F1 e E e desempenha um papel maior na transmissão em ondas curtas. Sinais de frequência suficientemente alta, penetrando através das camadas E e F1 moderadamente ionizadas, são refletidos pela camada F2 mais fortemente ionizada , como mostrado na Fig. 4 Para frequências mais baixas, a camada E é importante e a maioria das comunicações em 160 metros são devidas à reflexão desta camada.
Na camada E, às vezes existem áreas de ionização muito intensa, que são chamadas de camada anômala E. A ionização anômala da camada E pode ocorrer a qualquer momento e a causa é desconhecida. No caso de ionização anômala, a camada E pode fazer com que as ondas sejam refletidas a 5 e 10 metros. Outro fenômeno anômalo, denominado efeito Delinger, consiste na interrupção completa das comunicações de ondas curtas na parte iluminada do globo. A causa do efeito Delinger parece ser erupções solares que causam um aumento muito grande na ionização na parte inferior da ionosfera. Como resultado, ondas curtas de rádio são absorvidas. Neste momento, às vezes é possível a comunicação de longa distância em ondas ultracurtas. O efeito Dellinger pode durar vários minutos ou até horas. MUDANÇAS SAZONAL A ionização da camada F2 atinge seu maior valor no inverno, ocorrendo o máximo diário no período da tarde. Isto significa que a zona morta mais estreita será à tarde de um dia de inverno, momento em que a comunicação confiável é possível em frequências muito altas, por exemplo, em ondas de 10 metros. No verão, a ionização é menos significativa do que no inverno, e o máximo diário da camada move-se em direção ao pôr do sol. Assim, para ondas de 10 metros no verão, a zona de silêncio será mais ampla e a comunicação nestas ondas pode muitas vezes ser impossível. Graças ao aumento da zona de silêncio no verão em ondas de 20 e 40 metros, pode-se esperar melhores condições para comunicações de longa distância, porém, em distâncias de muitos milhares de quilômetros, o quadro é complicado pela proporção de iluminado e escurecido lugares do globo. Ao transmitir através do equador, as condições de verão podem prevalecer numa extremidade da ligação e as condições de inverno na outra. As melhores condições para comunicação de longa distância ocorrem na primavera e no início do outono. Durante os meses de primavera e verão há significativamente mais casos de reflexões anômalas da camada E. Estas reflexões podem fornecer boas condições para comunicações de longa distância em 5 e 10 metros em poucas horas. A transição das condições de inverno para o verão, e vice-versa, não ocorre de maneira suave. Os meses de primavera e outono são caracterizados por um estado instável da ionosfera. Isto é especialmente perceptível para amadores que trabalham regularmente na faixa de 10 metros. FREQUÊNCIAS CRÍTICAS A frequência crítica é a frequência mais alta que ainda é refletida de uma determinada camada quando o sinal incide na camada em um ângulo reto. Se um sinal for refletido quando incidente em ângulos retos, ele também será refletido em todos os outros ângulos e, portanto, não haverá zona de silêncio em todas as frequências abaixo da crítica. As frequências críticas indicam o grau de ionização das camadas e podem ser usadas para prever “clima de rádio”, selecionar as ondas mais favoráveis para comunicação, calcular o comprimento da zona de silêncio, etc. Existem várias estações desse tipo na União Soviética, uma delas na Baía de Tikhaya, na Terra de Franz Josef, é a estação ionosférica mais setentrional do mundo. Nos últimos 3-4 anos, houve muito mais comunicações de longa distância nas bandas de 10 e 5 metros do que antes. Isto é explicado, por um lado, pelo aumento acentuado do número de rádios amadores operando nestas bandas e, por outro, pelo efeito do ciclo de 11 anos de atividade das manchas solares. A ionização atmosférica está intimamente relacionada ao número de manchas solares; quanto mais manchas observadas durante o ano, maior será o grau de ionização. As manchas solares têm sido objeto de observação por astrônomos, e registros do seu número têm sido mantidos regularmente desde 1750. Esses registros mostram que o número de manchas solares geralmente atinge um máximo a cada 11 anos. O último máximo foi em 1939 e 1940. Ionização média O nível nos últimos cinco anos aumentou de ano para ano, como resultado, frequências cada vez mais altas puderam ser refletidas. As condições de comunicação em ondas de 10 e 5 metros no inverno de 1940/41 já eram um pouco piores do que eram em 1939/40. Posteriormente, a cada ano, o número de horas disponíveis para comunicações nestas ondas diminuirá e a atividade nestas faixas atingirá um mínimo em 1944 ou 1945. Nessa altura, as condições de comunicação na faixa de 20 metros serão semelhantes às aqueles observados no ano passado em medidores 10, e o alcance de medidores 40 será novamente adequado para comunicações de longa distância. COMUNICAÇÃO LONGA EM VHF A frequência das ondas ultracurtas é muito alta para ser refletida na camada F2. Se tais reflexões forem observadas, elas ocorrerão durante períodos de ionização muito alta, como o máximo das manchas solares, e ocorrerão durante a transmissão de longa distância, quando os sinais entram na camada em um ângulo muito obtuso. Numerosos acoplamentos de 5 bandas observados durante os meses de verão nos EUA nos últimos anos são atribuídos à ionização anômala da camada E. A maioria dessas conexões ocorreu à noite. Medições ionosféricas mostram que no verão uma camada E anômala se forma frequentemente pela manhã, antes do nascer do sol, e à noite, e sua área às vezes é de apenas alguns quilômetros quadrados. Graças a isto, a comunicação VHF só é possível entre um número muito limitado de pontos. Contudo, se existirem muitos destes locais em áreas diferentes ao mesmo tempo, as condições de comunicação VHF podem ser bastante boas. Autor: B. Khitrov
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