Classificazione delle onde elettromagnetiche

 

Prima di parlare di fulmini e temporali è bene descrivere brevemente come vengono classificate le onde elettromagnetiche. Questa premessa è molto importante perché le onde radio non sono tutte uguali e si comportano in modo diverso a seconda della loro lunghezza d’onda e della loro frequenza. In questa prima parte ci interesseremo di argomenti molto cari ai radioamatori e spero che qualche appassionato di meteorologia si avvicini in tal modo anche a questo hobby che lentamente purtroppo si sta spegnendo.

 

Un’onda elettromagnetica è classificata in base alla sua lunghezza d’onda e alla sua frequenza: non è altro che una forma di energia ondulatoria dovuta alla simultanea propagazione di un campo elettrico e di un campo magnetico tra loro perpendicolari e le cui intensità variano in modo regolare creando delle onde sinusoidali, da cui il nome di onde. Solitamente si rappresenta graficamente un solo campo, ad esempio il campo elettrico.

 

 

Nella semplice figura si può notare la presenza del campo elettrico e del campo magnetico. Supponendo che le oscillazioni si ripetano nell’arco di 1 secondo abbiamo una frequenza pari a 3 Hz

La lunghezza d’onda (l) corrisponde alla distanza fra 2 punti in fase (ad esempio 2 creste) e si misura in metri o suoi sottomultipli, mentre la frequenza f è il numero di oscillazioni e quindi di cicli che avvengono in un secondo e si misura in Hertz, dove 1 Hz = 1 ciclo al secondo. Le due grandezze sono legate tra loro e all’aumentare della lunghezza d’onda diminuisce la frequenza.

l [metri]= 300/f [MHz]  perché la velocità delle onde elettromagnetiche è di 300 m/s. Le radiazioni a più alta energia sono quelle a più alta frequenza. Questo è importante perché nell’urto con la ionosfera, a causa dello scontro con le molecole, le onde radio perdono energia e diminuiscono di intensità.

 

Detto questo possiamo suddividere le onde genericamente  in base alla loro lunghezza:

meno di 150 KHz : onde lunghissime

da 150 KHz a 300 KHz: onde lunghe

da 1,5 MHz a 30 MHz: onde corte

da 30 MHz a 300 MHz : onde cortissime

da 300 MHz a 3000 MHz : onde ultracorte

poi abbiamo le supercorte e le extracorte, ma sono termini poco usati.

 

Da sottolineare subito che le osservazioni degli appassionati di fenomeni naturali, quali ad esempio terremoti, meteore, macchie solari e temporali, si rivolgono principalmente al poco conosciuto campo delle ELF e VLF dove come vedremo è possibile autocostruirsi degli ottimi ricevitori.  

 

Propagazione

 

Per propagazione di un’onda radio si intende il suo trasporto attraverso un mezzo conduttore che può essere un cavo o, come nel nostro caso, lo spazio dell’atmosfera, l’etere. Tale propagazione non è costante ma dipende da numerosi fattori. Ognuna delle bande che abbiamo elencato è caratterizzata dal fatto di comportarsi diversamente dal punto di vista della propagazione e delle interferenze che la accompagnano; cerchiamo quindi di comprendere brevemente quali sono i fattori che influiscono sulla propagazione. Ciò permetterà di capire la distanza massima alla quale possiamo ricevere il fulmine.

 

Le onde elettromagnetiche si propagano per onda di terra e per onda riflessa. L’onda di terra viaggia perpendicolarmente al suolo e arriva alla stazione ricevente. Questo tipo di propagazione dipende dunque dall’altezza tra stazione ricevente e trasmittente e da eventuali ostacoli, come ad esempio monti o edifici, e varia in base al tipo di suolo. Mari, oceani e laghi sono ottimi mezzi di propagazione di questo tipo di segnali. Un esempio classico di onde radio che si propagano solo tramite onda di terra sono le trasmissioni in FM delle nostre radio preferite, che infatti non superano generalmente i 100 km a causa della presenza di ostacoli e della curvatura terrestre.

 

Ma come vedremo molte altre onde radio si propagano non solo tramite onda di terra ma contemporaneamente anche tramite onda riflessa. Questo fenomeno avviene grazie alla presenza della ionosfera e in alcuni particolari casi che ci limiteremo solo ad accennare è possibile raggiungere condizioni di propagazione eccezionali.

 

La ionosfera si trova fra 50 e 300 km dalla superficie terrestre ed è composta da un’elevata concentrazione di cariche elettriche dovute al vento solare e di conseguenza all’attività del sole; in particolare le responsabili sono le radiazioni UVA, i raggi X e gamma. Possiamo quindi subito dedurre che durante i massimi periodi di attività solare,  che ricordo si svolge a cicli di 11 anni ed in presenza di un numero elevato di macchie solari, le radiocomunicazioni risentono di aumenti considerevoli in termini di distanze coperte.

 

La ionosfera risulta divisa nei seguenti strati: strato D compreso tra 50 e 90 km, strato E (90–130 km), strato F a sua volta diviso in F1 (130-210 km) ed F2 (210–300 km). Di notte lo strato D sparisce per lasciare il posto ad un unico strato F che risulta quindi separato in F1 ed F2 solo durante il giorno. Sia di giorno che di notte può formarsi un particolare strato detto “E sporadico” che consente una propagazione eccezionale e che secondo alcune teorie si verifica in seguito al passaggio di meteoriti o altri fenomeni astronomici.

 

Riepilogando, le onde radio rimbalzano sugli strati della ionosfera, arrivano sulla terra e vengono nuovamente rimbalzate verso lo spazio. Lo strato D come vedremo si comporta come una spugna, nel senso che assorbe le onde lunghe e non permette nessuna riflessione; lo strato E è il responsabile della propagazione delle onde corte durante il giorno e permette comunicazioni anche a distanze di 2000 km ma la sua importanza è data dalla particolarità che si possa venire a creare il cosiddetto “E sporadico”, mentre lo strato F permette comunicazioni a enormi distanze (circa 4000 km) durante la notte. Lo strato F2 è quello con la concentrazione di elettroni maggiore.

 

La propagazione varia anche durante le stagioni e generalmente presenta un valore massimo durante il periodo estivo. Tuttavia segnalo una delle tante anomalie: d’inverno, intorno alle ore 12.00 locali, lo strato D e F2 presentano una ionizzazione superiore al periodo estivo.

La propagazione dipende anche dalla posizione geografica, si veda ad esempio il caso di propagazione transequatoriale che dall’Italia si propaga verso sud e quindi verso l’equatore e di propagazione dovuta alle aurore boreali che coinvolgono invece il nord Europa. Rammento che stiamo sviluppando un discorso che potrebbe sembrare semplice, ma in realtà le cose non sono proprio così semplici: vi sono altre anomalie nella propagazione e casi eccezionali che non ho accennato per evitare inutili confusioni.

 

Quindi la propagazione dipende da:

-         frequenza d’onda elettromagnetica

-         variazione giorno – notte

-         variazione stagionali

-         macchie solari

 

Possiamo poi solo accennare a tanti altri fattori  che causano rare forme di propagazione per particolari bande radio (inversioni termiche, meteoriti, aurore boreali, perturbazioni ecc…).

I radioamatori sfruttano la propagazione che avviene lungo il terminatore (la linea che separa il giorno dalla notte) per comunicazioni a grandi distanze e dispongono di tabelle aggiornate e altri dati, nonché di una buona dose di esperienza sulle condizioni dell’attività solare e sulle frequenze da utilizzare a seconda del luogo geografico e dell’orario.

Poiché la propagazione dipende anche dal tipo di frequenza, ora passeremo in rassegna le varie onde limitatamente a quelle che ci interessano.

Onde lunghe o LF

Queste particolari frequenze durante il giorno risentono dell’influenza dello strato D che si trova ad una distanza di 50 km dal suolo. Durante il giorno le LF si propagano mediante una lunga onda di terra capace di superare enormi ostacoli. Quindi vengono coperte distanze nell’ordine di 1000 km.

Durante la notte con la scomparsa dello strato D la distanza aumenta leggermente.

Tali onde risentono in misura notevole dei disturbi radioatmosferici naturali ed artificiali causati da temporali, motori elettrici ecc…questi disturbi diminuiscono con l’aumentare della frequenza fino a quasi scomparire nel campo delle VHF.

 

Onde medie (MF)

 

Queste frequenze invece coprono durante il giorno distanze nell’ordine di 150 - 200 km perché a causa dell’assorbimento dello strato D vengono in parte assorbite e in parte riflesse dallo strato E.

Durante la notte, come si può facilmente verificare con una normale radiolina AM, la propagazione aumenta notevolmente perché tali onde vengono riflesse dallo strato F e possiamo facilmente ascoltare i segnali di tutto il continente europeo. In particolari condizioni è possibile ricevere segnali anche da oltreoceano. All’aumentare della frequenza quindi l’influenza dello strato D viene meno.

 

Onde corte (HF)

 

Probabilmente le mie preferite, per via delle numerose stazioni utility e la possibilità di ascoltare tutto il mondo. Il comportamento è molto vario, ma in genere tali onde vengono solo in parte assorbite dallo strato D e si propagano anche durante il giorno tramite lo strato E mentre di notte la propagazione avviene per lo più tramite F. Le distanze coperte variano parecchio con comunicazioni che durante il giorno arrivano a coprire i 2000 km e di notte praticamente quasi tutto il mondo (su circa 10 MHz). A frequenze più alte (dai 20 MHz), come ben sa chi usa il CB, la propagazione è notevolmente influenzata dall’attività solare e la propagazione che avviene a enormi distanze si verifica prevalentemente durante il giorno. Il rumore atmosferico è basso.

 

VHF UHF

 

Normalmente vengono coperte distanze di 50-100 km al massimo. Su tali frequenze, al di sopra di 50 MHz, la propagazione avviene in modo diverso da quanto esposto. Si tratta per lo più di fenomeni difficili da prevedere ed isolati dovuti a modi non comuni di propagazione. Per esempio posso brevemente accennare alla possibilità delle onde di subire una diffrazione in seguito a fenomeni meteorologici (strati d’atmosfera a diversa umidità, inversione termica…) che permettono di coprire anche i 300–400 km o per la formazione di “E sporadico”. Le basse frequenze in VHF risentono come ho avuto modo di constatare personalmente dell’influenza dell’attività solare.

Normalmente le frequenze di nostro interesse per l’ascolto dei temporali non vanno oltre il valore di 100 MHz.

 

SHF EHF

Solo un breve cenno per dire che attraversano la ionosfera e raggiungono lo spazio. Coprono normalmente distanze piccole anche se ci sono casi particolari registrati di 100–300 km in condizioni particolari di propagazione. Vengono facilmente assorbite da pioggia come può constatare chi disponendo di un impianto per la tv satellitare ha problemi di ricezione in caso di forti temporali. Il loro uso specie per le EHF è del tutto sperimentale ed interessa lo studio dell’astronomia.

Onde lunghissime (VLF ELF)

Per ora limitiamoci a dire che l’ascolto di queste frequenze è denominato anche “Radio Natura” per la possibilità di ascoltare chiaramente numerosi fenomeni naturali, tra cui i fulmini di tutto il pianeta. A livello di propagazione queste onde si propagano attraverso un’onda di terra molto grande vista la loro lunghezza in grado di superare ostacoli molto elevati. Le ELF e VLF pare si propaghino anche nel sottosuolo e lungo gli oceani.

 

Numerosi appassionati, tra cui il sottoscritto, si stanno ultimamente interessando a queste particolari e misteriose frequenze e ricordo che stiamo parlando di frequenze bassissime che presentano una particolarità: le radio frequenze di questa banda hanno in parte le stesse frequenze delle onde acustiche ricevibili dall’uomo. Sebbene si tratti di 2 fenomeni diversi, uno di natura elettromagnetica e l’altro di natura acustica, questo particolare rende relativamente semplice la costruzione di un ricevitore in quanto basterà semplicemente amplificare il segnale radioelettrico e mandarlo ad un altoparlante. Nessuna conversione, la sua frequenza è già adatta a quella dell’uomo.

Spero di aver chiarito questo interessante punto.

 

Per pura curiosità sappiate che sui 77,5 KHz da Francoforte viene irradiato su queste particolari lunghezze d’onda il segnale per gli orologi e le centraline meteo radiocontrollate con una copertura di circa 2000 km.

 

Questo è tutto per quanto riguarda le nozioni preliminari inerenti la propagazione delle onde radio.

Il fulmine e le onde radio

 

Le scariche generate da un temporale producono impulsi a radiofrequenza RF, la cui intensità diminuisce con l’aumentare della frequenza. Tali onde si propagano lungo tutta la superficie terrestre e poiché in ogni secondo possiamo calcolare sulla Terra circa 100 scariche elettriche è chiaro che potremo ascoltare i fulmini prodotti da temporali anche molto lontani la cui frequenza si propaga tramite ionosfera e i fulmini prodotti invece da eventi locali. Tali scariche variano e coprono un’ampia gamma di frequenze. I segnali più forti vanno dai 3 Hz, ed in particolare forti segnali si verificano sulle VLF e in misura limitata arrivano sino al margine inferiore delle VHF.

 

Le onde prodotte dai fulmini vengono percepite dalle comuni radio come dei disturbi, sia per la loro scarsa capacità di filtrare e discriminare le varie  frequenze non desiderate, sia perché effettivamente il fulmine genera onde radio sulla frequenza sintonizzata dall’apparato ricevente.

I segnali che vengono ricevuti con il sistema chiamato AM (modulazione d’ampiezza) risentono in particolare dell’influenza di questi disturbi atmosferici. Si calcola che solo una bassa quantità di energia del fulmine, intorno al 10 %, sia irradiata sotto forma di onde radio, mentre la restante parte si disperde per lo più in energia termica.

 

Sul fatto di come il fulmine possa generare queste onde radio basta rifarsi ad alcuni semplici concetti di fisica. Voglio brevemente ricordare che una carica elettrica è circondata da un campo elettrico, ma se la carica è in moto, essa produce una corrente ed un campo magnetico la cui intensità dipende dalla velocità della carica e abbiamo detto che un’onda elettromagnetica non è altro che l’insieme di un campo elettrico e magnetico in fase tra loro.

 

In primo luogo il rumore prodotto dal fulmine, dove per rumore non si intende il tuono ma il disturbo radio, dipende non solo dalla frequenza alla quale si è in ascolto, ma anche dal tipo di ricevitore. E’ chiaro che il comportamento di un ricevitore professionale o dotato di antenna esterna, sarà ben diverso dalla classica radio di poche decine di euro con antenna in ferrite per AM.

Senza entrare nei dettagli, diciamo che l’antenna esterna permette di aumentare la sensibilità del ricevitore che di conseguenza è più soggetto ai disturbi atmosferici; voglio solo elencare i parametri che caratterizzano un ricevitore:

-         banda ricevibile: è la porzione di frequenze che può essere ricevuta

-         selettività: la capacità di ricevere correttamente segnali vicini tra loro

-         sensibilità: il livello minimo di segnale captabile

-         stabilità: indica la capacità del ricevitore di rimanere sintonizzato sulla frequenza senza subire scostamenti durante il passare del tempo

 

Un ricevitore di scarsa qualità in genere non presenta dei filtri contro le interferenze e riceve se i segnali sono forti anche le frequenze che non dovrebbe ricevere. Questi e altri parametri fanno la differenza tra un ricevitore economico ed uno pagato a caro prezzo.

L’ascolto del fulmine

 

Ora vediamo come è possibile per un semplice appassionato rilevare il fulmine. Diciamo purtroppo che capire la direzione del temporale non è semplice in quanto servirebbero strumenti costosi e complessi. Tuttavia ritengo sia possibile farsi un’idea di che tipo di fulmini abbiamo e della potenza del temporale. Con l’esperienza si impara ad ascoltare e capire i fulmini, ma inizialmente non è facile.

 

Partiamo da quelle che sono certamente le frequenze più semplici per ricevere le onde medie.

Dimenticavo: chiaramente il fulmine genera frequenze principali, forti e ricevibili a grandi distanze e frequenze secondarie, armoniche o spurie che si presentano più deboli e possono essere ricevute solo nelle vicinanze del temporale. Con apparecchi semplici è possibile ricevere le prime, ma non è possibile conoscere in questo modo l’esatta ubicazione del fulmine.

 

Chiarisco con un esempio: il nostro telefonino cellulare emette il segnale a 900 MHz. Se però lo avviciniamo alla radio ascoltiamo dei disturbi. Questo perché insieme alla frequenza di 900 MHz vengono generate altre deboli frequenze che interferiscono solo sulle vicinanze del cellulare e che sono multipli e sottomultipli dei 900 MHz.

 

Ascolto su onde medie

 

L’ascolto su queste frequenze è molto semplice perché può avvenire per mezzo di una comune radiolina in AM. Queste radio sono dotate all’interno di un’antenna in ferrite. Dunque quando si ascolta la AM non serve regolare l’antenna telescopica esterna.

 

Si badi bene che AM è un tipo di modulazione, significa modulazione d’ampiezza. In realtà quando con la radio ci si posiziona in AM, non si sta andando in una frequenza chiamata AM, ma si stanno semplicemente ricevendo i segnali trasmessi in modulazione d’ampiezza sulle onde medie. Durante il giorno è possibile ricevere temporali lontani al massimo 100 km, mentre di notte i disturbi atmosferici captabili coprono anche distanze di 300–400 km.

 

I temporali si manifestano quindi quando sono relativamente vicini. Quando anche le forti stazioni della RAI risultano chiaramente disturbate da fruscii il temporale è oramai prossimo al luogo di ricezione. E’ consigliabile quindi ascoltare prima su frequenze libere da stazioni dove è più semplice accorgersi della presenza di disturbi atmosferici.

 

Disturbi continui quasi ininterrotti indicano generalmente la presenza di fulmini nube – nube. Per il resto quindi le onde medie ed una semplice radiolina sono l’ideale per iniziare, ma la mancanza di un adeguato sistema di antenna direttivo (che riceva cioè solo in un'unica direzione) e di uno smeter (per misurare la potenza dei disturbi) rendono l’ascolto un qualcosa di molto vago, seppur sicuramente interessante per la possibilità di captare i temporali prima che siano visibili all’orizzonte.

 

Ascolto su onde corte

 

Ho fatto alcune prove di ascolto con ricevitori dotati di antenna esterna. Anche chi dispone di un apparecchio CB può fare delle prove in tal senso. I disturbi sono simili a quelli registrati nelle onde medie, ma tendono a diminuire con l’aumentare della frequenza. Quindi, nonostante la propagazione su queste bande sia maggiore, il fatto che in realtà si ricevano solo i deboli segnali secondari o meglio spurie dipendenti da altre frequenze derivanti dai fulmini rende l’esperienza di ascolto un po’ riduttiva ma interessante per l’ascolto dei temporali vicini.

 

Ascolto su onde cortissime (VHF)

 

La ricezione dei disturbi temporaleschi a queste frequenze è molto bassa, ci troviamo proprio al limite delle frequenze interessate da tale fenomeno. Escluderei quindi un loro uso per lo studio dell’attività elettrica in atmosfera se non quando i temporali sono vicini nell’ordine di poche decine di km e si generano deboli onde secondarie che possono essere individuate con ricevitori professionali usati nel sistema di rilevamento detto interferometria.

 

Ascolto su onde lunghe

 

Immaginando una linea su cui siano riportate le frequenze che da sinistra verso destra diminuiscano la loro lunghezza d’onda, ci siamo spinti sull’estrema destra e ora spostiamoci poco prima delle onde medie. Le onde lunghe, che ricordo coprono dai 30 ai 300 KHz, sono molto importanti perché in questo spettro ricadono alcune onde elettromagnetiche molto forti prodotte durante i fulmini temporaleschi. La ricezione così come per le onde medie può avvenire (per la parte alta della banda) tramite semplice radiolina con antenna in ferrite interna.

 

Tuttavia, a differenza delle onde medie, è semplice accorgersi dei segnali causati dei temporali anche quando questi sono a ragguardevoli distanze, ovvero intorno agli 800 km specie nelle ore notturne. Con ricevitori discreti dotati di antenna esterna, magari a telaio, la ricezione è molto interessante anche se viste le enormi distanze coperte i segnali di diversi temporali si coprono e confondono tra di loro. Dalla Sardegna ho captato celle temporalesche presenti sulla penisola italiana, sulle Baleari e sulla Tunisia.

 

Ascolto su onde lunghissime

 

L’ascolto su queste frequenze è particolarmente interessante per alcuni motivi:

- la semplicità con la quale è possibile costruirsi un buon ricevitore

- la possibilità di essere in contatto con numerosi appassionati che studiano tali onde per diversi fenomeni naturali; di conseguenza è semplice trovare anche sulla rete numerosa documentazione al riguardo (vedi paragrafo links utili)

 

Diciamo subito che è su queste frequenze che il fulmine mostra tutta la sua capacità nel produrre segnali di natura elettromagnetica.

 

Gli studiosi hanno suddiviso i segnali che possono venire ascoltati o meglio ricevuti, visto che in tali frequenze spesso si analizza lo spettro mediante PC, in 3 grosse categorie:

 

1)      statiche o sferiche: si tratta di piccoli “scoppi” che si verificano soprattutto intorno ai 15 KHz; sono prodotti da fulmini posti a decine di migliaia di km dal ricevitore e si propagano mediante ionosfera; consideriamo quanti fulmini avvengano sulla Terra ogni secondo e ci renderemo conto dell’entità del fenomeno.

 

2)  whistler: sembrano dei fischi e la maggior parte di essi avvengono nel campo delle ELF a frequenze estremamente basse di 0,5–5 KHz. Secondo una teoria tale fenomeno si spiega in quanto una parte dell’energia dei temporali viaggia sopra la ionosfera e arriva nella magnetosfera dove segue le linee di forza del campo magnetico terrestre per arrivare all’emisfero polare opposto da quello in cui si è generata attraversando un lungo condotto formato da ioni causati dal vento solare; in questo condotto viaggiano i whistler.

 

3)      tweeks: sono il risultato della propagazione delle onde radio emesse da temporali (distanti anche migliaia di km, sullo strato E); in genere si manifestano ad una frequenza di 1700 Hz e sembrano dei cinguettii.

 

Colpi brevi ma forti da mandare momentaneamente in tilt il ricevitore sono prodotti da frequenze generate dalla scarica scesa nelle immediate vicinanze dal ricevitore.

 

Le distanze che ho riportato si riferiscono a ricevitori dotati di un buon impianto d’antenna. Chi fosse interessato alla costruzione di un ricevitore per le VLF troverà diverse informazioni sui siti dei radioamatori. Sostanzialmente il tutto si riduce ad una buona antenna: in teoria per buona antenna intendo un qualcosa lungo centinaia di metri sparso su un terreno! Ovviamente ciò non è sempre possibile e ci si dovrà accontentare di un compromesso. Ricordo infatti che un’antenna deve essere dimensionata in base alla lungh