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Technique - Environnement
L'environnement


Drôle de titre n'est-ce pas ? Eh oui car nous allons parler d'environnement ! Les radiocommunications ne pourraient exister sans le soleil, la terre, l'ionosphère. Dans ce chapitre nous aborderons les principes généraux, nous réservant le chapitre consacré à la propagation HF pour des explications détaillées bande par bande.

Pourquoi arrive t'on à communiquer par radio à grande distance ?

 

Je n'avais pas prévu dans mon plan de répondre d'entrée à cette question mais il m'a semblé juste et opportun de lever le voile tout de suite, d'une part pour satisfaire une curiosité légitime et d'autre part pour mieux intégrer la suite de cet exposé

Vous avez la réponse au dessus. L'énergie émise sous forme d'ondes électromagnétiques est réfléchie/réfractée par différentes couches ionisées qui se comportent comme des guides/miroirs. Une partie de cette énergie est perdue car elle s'échappe dans l'espace, une autre revient sur terre, une troisième est perdue dans le processus de réfraction/réflexion.


L'ionosphère : 

Nous allons passer en revue les principaux acteurs responsables de la propagation des ondes haute fréquence, et plus particulièrement pour les bandes décamétriques entre 3 et 30 MHz. Pour les fréquences supérieures, les mécanismes ne sont pas tout à fait identiques.

Voici une coupe verticale permettant de situer plus précisément l'ionosphère.  Comme vous pouvez le constater, nous sommes plus dans le domaine d'orbite de la navette spatiale et des satellites basse altitude que de l'aéroplane. Nous allons positionner l'ionosphère entre 80 et 600 km, sachant que les limites sont floues et variables. On appelle ceci ionosphère parce qu'on va y trouver essentiellement des ions. Pour mémoire, un ion est un atome  qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, il n'est donc plus électriquement neutre mais présente soit une charge positive s'il a perdu un électron, soit une charge négative s'il en a gagné un.
L'ionosphère est composée de plusieurs couches ou strates qui évoluent en cours de journée sous l'effet du rayonnement solaire. 

Densité électronique

Comme le montre le schéma à droite, on peut distinguer plusieurs couches au sein de l'ionosphère  qui sont caractérisées, d'une part par leur densité électronique et d'autre part, par leur composition chimique.
Tout ceci aura naturellement un impact sur la réflexion/réfraction des ondes électromagnétiques en fonction de la fréquence.
Les 4 couches définies (D,E,F1,F2) ont une évolution diurne et nocturne influencée par le rayonnement solaire. Voyons ce qu'il advient :

  • La couche D est la couche la plus basse de l'ionosphère comprise entre 50 et 90 km et elle atteint son maximum d'ionisation quand le soleil est au Zénith plus ou moins vers midi. Cette ionisation n'est pas une ionisation durable et elle disparaît très vite dès que le soleil décline et complètement quand il se couche. La couche D est caractérisée par sa capacité non pas à réfracter les signaux mais au contraire à les absorber. Cette absorption touche le bas du spectre entre 3 et 10 MHz avec un effet décroissant. Plus l'ionisation est forte, plus l'absorption est forte, ceci explique le silence des bandes basses en cours de journée (160 et 80m).

  • La couche E  comprise entre 90 et 150 km, à l'instar de la couche D, a tendance à dissiper ses ions assez rapidement quand le soleil ne l'irradie pas. En revanche elle est beaucoup moins "nocive" que la couche "D" puisqu'elle n'absorbe pas l'énergie, au contraire , elle réfracte / réfléchie très bien. Quand vient la nuit, la couche "E est très mince et les ondes électromagnétiques la traverse directement, les réflexions sont quasi inexistantes.

  • Les couches F1 et F2 constituent deux couches distinctes le jour, sous l'influence du soleil et une seule la nuit. C'est cette région ionosphérique qui est la plus importante pour les communications radio longue distance. Ces couches restent ionisées, longtemps, H24 avec des variations diurnes et nocturnes.


Le soleil : 

Voici l'acteur principal, l'incontournable. Non seulement, il règle la vie sur terre, sans lui rien n'existerait, mais en plus il nous ionise les couches hautes qui nous permettent de faire de la radio. A votre droite une image de notre soleil prise dans le spectre haut ultra-violet par SOHO le 20/12/2000. 

Le soleil, par ses émissions, ionise l'ionosphère, c'est un lieu commun que de dire cela. Cette ionisation subit des variations journalières directement liées à la quantité de flux solaire reçu et des variations à plus long terme liées à l'activité solaire globale.

Le cycle de 11 ans :

Ci-dessus une représentation du cycle de +/- 11 ans de l'activité solaire depuis 1700 jusqu'à nos jours. Les scientifiques ont noté une variation de l'activité solaire sur une période de 11 ans, nous sommes actuellement (fin 2000) dans le cycle solaire n°23, et au maximum d'activité

Cette représentation est basée sur l'observation du nombre de tâches solaires qui demeure encore un moyen fiable et simple de mesurer l'activité. Il existe bien sûr d'autres indicateurs comme la mesure du flux sur 2,8 GHz, nous y reviendrons. Tous les cycles ne présentent pas la même activité.

Indicateurs d'activité solaire :

Mesurer l'activité solaire est un élément clef dans la prévision de propagation HF et les scientifiques ont défini un certain nombre de mesures et valeurs afin d'évaluer la 

possibilité de réaliser telle ou telle liaison radioélectrique sur tel ou tel circuit avec des conditions d'antenne et de puissance standard.

  • Mesure du flux à 2,8 GHz ou 10,7 cm de longueur d'onde.
    en mesurant l'énergie émise sur cette fréquence, on a une cartographie très précise des émissions radioélectriques du soleil. Le flux le plus bas avoisine les 65 tandis que dépasser 200 lors du maximum d'activité est courant.
    L'unité vaut 10-22 W/m2/Hz soit 10 000 jansky.
  • Nombre de tâches solaires. Plus l'activité solaire est grande plus le nombre de tâches solaires est important. Les "sunspot" en anglais traduisent une concentration de flux magnétique.
  • D'autres mesures moins accessibles au radioamateur prennent en compte les émissions de rayons X, particules lourdes, vent solaire etc.

Ci-dessus une vue détaillée des derniers cycles Ci-dessus les prévisions pour le cycle actuel

Le champ magnétique terrestre : 

Tout le monde sait qu'un champ magnétique terrestre existe, chacun a eu l'occasion de l'expérimenter de différentes manières.

On pense que le champ magnétique terrestre prend naissance au centre de la terre, dans le noyau. Son intensité est mesurée en Tesla. Son intensité varie fortement, elle est maximum aux pôles et minimum à l'équateur. La valeur moyenne est de 4 à 5 10-4 T.

Le champ magnétique terrestre (GMF GEOMAGNETIC FIELD en anglais) sert avant tout de bouclier protecteur à la terre pour ce qui concerne les éjections de particules du soleil.
La vue très schématique ci-dessus ne rend pas compte de la réalité des choses car un autre phénomène doit être pris en considération : le vent solaire. La vue ci-dessous donne une image réaliste de la situation.

On y découvre que le champ terrestre est déformé par le vent solaire et on y apprécie les dimensions. Nous verrons dans le prochain chapitre comment une forte erruption solaire peut "tasser" le champ magnétique terrestre et occasionner de fortes perturbations radioélectriques.

Le soleil agit de façon déterminante sur le champ magnétique terrestre, lors des erruptions par exemple, et celui-ci agit à son tour de manière extrêmement forte sur l'ionosphère quand des évènements spécifiques comme les orages magnétiques se produisent. Ceci a un impact très fort sur nos capacités à réaliser des liaisons.

Sur le graphique ci-contre, vous pouvez observer l'étroite corrélation qui existe entre l'activité solaire matérialisée par le nombre de tâches solaires et l'activité géomagnétique. Rappelons qu'une forte activité géomagnétique est un indicateur négatif pour l'établissement de contacts lointains.


Quantification de l'activité géomagnétique :

Connaître l'activité géomagnétique est une nécessité pour évaluer les possibilités de liaisons, voici les principaux indicateurs :
  • L'indice A décrit les conditions géomagnétiques sur 24 heures. Son  amplitude peut osciller entre 0 et >100.
    Il est souhaitable en HF d'avoir A <10

ionosphériques storm storm storm

Indices géomagnétiques

K A
0-1 0-7
2 8-15
3 16-29
4 30-49
5 50-99
6-9 >99
  • L'indice K, similaire à l'indice A, précise les conditions sur les trois dernières heures et sa gamme de valeur évolue entre 0 et 9. K doit être bas pour avoir de bonne conditions HF.

Comme les valeurs que vous pourrez obtenir sont obligatoirement en anglais, je les ai laissées dans cette belle langue. A titre indicatif, Quiet = Calme, Unsettled= Agité, Active, Actif,  Minor storm = Orage mineur, Major Storm = Orage majeur, Severe storm = Orage sévère.


Le décor est planté, nous connaissons les propriétés des ondes électromagnétiques, les éléments indispensables (soleil, atmosphère, champ magnétique). 
Dans ce chapitre je me suis attaché à décrire l'essentiel, toutefois il se peut que certains aspects vous paraissent obscurs. D'importants compléments vont vous être fournis dans les chapitres suivants.