Couches ionisées de l’atmosphère et propagation des ondes radio
Les ondes qui s’éloignent de l’antenne en se propageant en suivant la surface de la terre sont communément appelées “ondes de sol” ou “de surface”.
Les ondes qui se propagent vers l’espace, en se détachant nettement de la surface de la terre, sont appelées “ondes spatiales”, et celles qui, réfléchies par des couches ionisées de l’atmosphère, reviennent vers la terre, sont généralement appelées “ondes réfléchies”.
Les ondes réfléchies sont générées à cause de l’ionosphère qui se trouve à environ 60 km de la terre et est composée de nombreuses couches pouvant atteindre jusqu’à 300 km (voir figure 285). Ces couches présentent la caractéristique de pouvoir réfléchir certaines gammes de fréquences radio, comme un miroir frappé d’un rayon de lumière.
La hauteur des couches ionisées comprises entre 60 km minimum et 300 km maximum n’est pas constante car les différents gaz qui composent l’ionosphère absorbent de manière différente les radiations solaires.
Comme vous pouvez le voir sur la figure 285, pendant les heures du jour les rayons ultraviolets émis par le soleil forment autour de notre globe 4 ceintures de couches ionisées appelées D, E, F1 et F2.
La couche D: c’est la couche se trouvant à environ 60-80 km.
La couche E: c’est la couche se trouvant à environ 100-120 km.
La couche F1: c’est la couche se trouvant à environ 160-200 km.
La couche F2: c’est la couche se trouvant à environ 260-300 km.
Pendant la nuit, la couche D disparaît et la couche F2 descend jusqu’à rejoindre la couche inférieure F1 (voir figure 286). Cette unique couche nocturne, née de la fusion de F1 et F2, est tout simplement appelée F.
Les couches ionisées capables de refléter les ondes radio vers la surface terrestre sont les couches E et F seulement.
La couche la plus basse de l’ionosphère, c’est-à-dire D, présente seulement pendant le jour, absorbe totalement toutes les fréquences des ondes moyennes, courtes et très courtes.
Ces ondes radio ne pouvant pas atteindre les couches réfléchissantes E et F, ne peuvent pas être renvoyés vers la terre. C’est pour cette raison que la propagation à longue distance de ces ondes ne s’effectue pas durant les heures du jour, mais commence uniquement quelques heures après le coucher du soleil, lorsque la couche D disparaît.
Pendant le jour, la propagation des ondes moyennes, courtes ou très courtes s’effectue uniquement par ondes de sol qui ne permettent toutefois pas de couvrir de grandes distances (voir figure 287).
Pendant la nuit, lorsque la couche D disparaît, ces ondes radio, pouvant rejoindre les couches E et F, sont à nouveau réfléchies vers la surface de la terre et peuvent ainsi atteindre des distances remarquables (voir figure 288).
Les ondes réfléchies présentent toutefois l’inconvénient de ne pas être très stables car les couches ionisées changent continuellement de hauteur, en provoquant ainsi le phénomène très rapide et typique de l’évanescence du signal capté. L’évanescence, également appelée “fading”, se manifeste par une variation lente et constante de l’intensité du signal capté.
Ce phénomène provoque l’affaiblissement continu du signal de l’émetteur capté pour lui rendre ensuite, en quelques secondes, son intensité maximale. Ce phénomène se produit normalement durant les premières heures du soir et les premières heures du jour, lorsque les rayons du soleil commencent à influencer les couches D, E, F1 et F2 présentes dans l’ionosphère.
Sachez aussi que les couches ionisées sont également influencées par les taches solaires et les orages magnétiques, c’est-à-dire des variations du champ magnétique terrestre qui provoquent ce que l’on appelle les “aurores boréales”.
Certaines fréquences de la gamme des ondes très courtes et, précisément celles comprises entre 20 et 40 MHz, se comportent de façon complètement différente des autres fréquences. En effet, elles ne réussissent pas à dépasser les 30 km.
Ces fréquences peuvent ensuite réapparaître, par l’intermédiaire des ondes réfléchies, à une distance de plus de 1000 km. En supposant donc qu’il y ait une antenne émettrice rayonnant un signal sur ces fréquences à Paris, on ne pourra pas le recevoir en grande banlieue, mais, par contre, on le captera parfaitement, que l’on se trouve à Madrid, Berlin ou à New York.
La zone dans laquelle il est presque impossible de recevoir ces signaux est appelée “zone de silence” ou “zone d’ombre”.
La gamme des ondes moyennes ne subit pas ce phénomène. En effet, contrairement aux ondes courtes et très courtes, les ondes moyennes sont réfléchies vers la terre par la première couche ionisée E, qui se trouve à une hauteur de seulement 100-120 km. De ce fait, la zone couverte par les ondes de sol se termine là où commence la zone couverte par les ondes réfléchies.
C’est justement parce qu’on peut les recevoir de jour comme de nuit que les ondes moyennes ont été choisies par de nombreux pays pour la diffusion de leurs programmes nationaux.
De nuit, ces ondes sont réfléchies tant par la couche E que par la couche F.
C’est pour cette raison qu’il est alors possible de capter de nombreuses stations étrangères situées à des milliers de kilomètres de nous.
Nous avons expliqué comment les ondes moyennes, les courtes et les très courtes se propagent, mais nous n’avons pas encore évoqué le comportement des fréquences supérieures à 100 MHz appelées VHF, UHF et SHF, ou plus simplement ondes métriques, ondes décimétriques et micro-ondes.
Quand ces fréquences rencontrent les couches ionisées D, E, F1 et F2, elles ne sont ni absorbées ni réfléchies, mais elles continuent librement leur course vers l’espace. S’il en allait autrement, nous ne pourrions pas recevoir de la terre les signaux provenant des satellites placés en orbite dans l’espace, ni même parler avec les astronautes voyageant dans une navette spatiale.
Toutes les fréquences VHF, UHF et SHF émise par un émetteur terrestre ne peuvent être captées par voie directe, et puisque la terre est ronde, leur portée est dite “optique” ou “à vue” (voir figure 289).
Afin, justement, d’augmenter leur portée optique, toutes les antennes émettrices sont installées sur des points hauts.
Les fréquences VHF et SHF rayonnées par des satellites placés dans l’espace sont captées de façon directe en orientant la parabole réceptrice vers ces satellites.
Les ondes UHF, VHF et SHF, qui suivent la voie terrestre, sont caractérisées par leur capacité à être facilement réfléchies ou réfractées (voir figure 291), et sont, pour cette raison, capables d’atteindre des zones où l’onde directe ne réussirait pas à arriver.
(1) VHF = Very High Frequency, quelquefois appelées THF pour Très Hautes Fréquences ou hyperfréquences - 30 à 300 MHz.
(2) UHF = Ultra High Frequency, Ultra Hautes Fréquences - 300 à 3000 MHz.
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