L’ionosphère est la zone la plus élevée de l’atmosphère terrestre. Elle se situe entre 50 et 650 km d’altitude. Sous l’influence du rayonnement UV du soleil, les gaz ionisés et les électrons libres (ensemble appelé plasma) sont très abondants dans cette zone. La densité du plasma augmente en fonction de l’altitude par paliers successifs, ce qui permet de diviser l’ionosphère en 3 régions (ou couches) :
- D (50 à 90 km),
- E (90 à 130 km)
- F (130 à 650 km).
A l’approche de la magnétosphère, la densité du plasma diminue. A chaque augmentation de densité du plasma et selon l’angle avec lequel l’onde traverse les couches, l’onde est réfractée (l’onde prend une direction plus perpendiculaire à la couche traversée) et peut, selon la densité du plasma et la fréquence, être réfléchie (l’onde retourne vers la terre).
La région D doit être traversée par les ondes pour atteindre les couches E et F et disparaît dès la tombée de la nuit. La région D est constituée de molécules d’oxygène et d’azote (O2 et N2). La densité du plasma (100 électrons par cm3) est faible et provient de la photo-ionisation due au rayonnement X. Cette couche ne réfléchit pas les ondes mais elle atténue les signaux qui la traversent. Pour minimiser cette atténuation, en particulier sur les bandes basses (40 m et +), on utilise des antennes ayant un angle de radiation faible (on vise l’horizon).
L’ionisation de la région E est faible en milieu de journée et très faible la nuit. Toutefois, dans des conditions particulières liées à la présence d’ions métalliques, cette couche (appelée alors E sporadique) peut être plus fortement ionisée (jusqu’à 100.000 électrons libres par cm3). Dans ce cas, une seule réflexion est possible sauf lorsque cette ionisation est suffisamment répartie, ce qui est rare et impossible à prévoir.
La région la plus haute de la ionosphère, la couche F, possède la densité d’électrons la plus élevée (jusqu’à 1 million d’électrons par cm3 dans la journée) et est constituée d’oxygène atomique (O) photo-ionisé par les rayonnements UV du soleil. La partie basse de la région F (entre 130 à 200 km d’altitude) est appelée zone F1 tandis que le reste est appelé F2. L’altitude de cette dernière couche est variable (jusqu’à 650 km). Des réflexions multiples sur cette couche permettent de “faire le tour de la terre” en faisant plusieurs “bonds”. Pendant la nuit, les couches F1 et F2 fusionnent en une seule couche F vers 250 km d’altitude
A l’approche de la magnétosphère, la densité en électrons libres diminue
La densité en électrons libres par cm3, est variable selon l’altitude des couches ionosphériques et selon la période de la journée (jour ou nuit). La saison (durée du jour), l’activité solaire et l’activité magnétique terrestre modifient sensiblement ces densités.
Un circuit est le parcours de l’onde d’un point à un autre. Les conditions de propagation varient tout au long de ce parcours. Le lieu de réflexion de l’onde sur la Terre est primordial : l’atténuation est minimale sur la mer (0,3 dB) mais devient critique sur terre (7 dB sur un champ, plus de 10 dB en zone urbaine). Les conditions météorologiques du lieu de réflexion sur la Terre ont une incidence non négligeable sur la propagation
Plus la fréquence croît et plus l’angle de radiation à partir de l’antenne est élevé, plus l’onde a de chances de traverser les couches sans être réfléchie, elle n’est que réfractée et se perd alors dans l’espace. La fréquence maximum utilisable (FMU) est la fréquence pour laquelle une onde sera propagée d’un point à l’autre de la terre par réflexion sur les couches E ou F avec l’angle de départ le plus proche de l’horizon.
Les signaux se dirigeant vers les couches F doivent traverser la couche D, dont l’absorption augmente quand la fréquence diminue. Mais la couche E est aussi capable de réfléchir les ondes radio. Si la FMU de la couche E est trop haute, les signaux vers ou venant de la couche F seront stoppés. La limite plancher de la fréquence utilisable est appelée Fréquence Minimum Utilisable (LUF) pour la couche D et Fréquence de coupure de la couche E (ECOF). On doit donc utiliser pour un circuit une fréquence comprise entre d’une part la FMU et d’autre part la plus élevée des deux fréquences suivantes : ECOF (limites de la réfraction ionosphérique) ou LUF (atténuation maximale tolérable). Mais il se peut, à certaines heures de la journée, que ECOF ou LUF soit supérieure à FMU. La liaison, dans ce cas, a peu de chances d’être réalisable.
Les calculs de prévision de propagation (détermination de FMU, LUF et ECOF) tiennent compte de l’activité solaire et sont donnés pour une date et une heure (éclairement de la Terre par le Soleil). Ces calculs sont basés sur une puissance de 100 W dans un dipôle orienté dans la direction du correspondant potentiel. La fréquence optimum de travail (FOT) correspond à 80% de la FMU
En règle générale, sur les bandes décamétriques, un contact avec un parcours de jour est plus facilement réalisable sur une bande qu’un contact avec un parcours de nuit sur cette même bande. Ceci implique, pour les européens, que les contacts lointains vers l’Est (Asie) se font de préférence le matin et les contacts vers l’Ouest (Amériques) se font plus facilement en fin de journée, le soleil éclairant la fin du parcours de l’onde. De plus, les bandes basses restent plus longtemps « ouvertes » que les bandes hautes une fois que le soleil ne les ionise plus.
L’activité solaire est mesurée par deux indices fortement corrélés, Fs et R. Fs(ou φ lettre grecque minuscule phi) est le flux solaire et est mesuré par le bruit solaire sur 2,8 GHz en W/Hz/m². Fs a une valeur comprise entre 60 et 300. L’indice R (ou nombre de Wolf) exprime le nombre relatif de taches solaires observées (les taches les plus grosses ont une valeur plus forte, IR5 est la moyenne des indices R des cinq derniers mois). L’indice R a une valeur comprise entre 0 et 200. Plus les indices Fs et R sont élevés, plus forte est l’activité solaire. Les cycles de l’activité solaire durent en moyenne 11 ans et sont numérotés depuis 1755. Le cycle suivant commence lors du minimum d’activité. Le dernier cycle (n° 24) a débuté en 2009, a connu son maximum en 2014 (R = 116) avec l’activité la plus faible depuis 100 ans (R = 0 pendant plus de 100 jours en 2017) et finira vers 2020.
L’activité magnétique terrestre influe sur la propagation car la magnétosphère est voisine de l’ionosphère. Cette activité est mesurée par les indices K et A. L’indice K (de 0 à 9) est fonction de l’intensité du champ magnétique (mesuré en nT, nanoteslas) pour une latitude donnée. L’indice A reflète l’activité géomagnétique issue des gaz ionisés chauds et magnétisés amenés par le vent solaire. Celui-ci est constitué de particules éjectées du soleil lors de ses irruptions. Elles arrivent sur Terre au bout de quelques jours et pénètrent sans collision dans la magnétosphère créant des orages géomagnétiques voire des aurores boréales dans des latitudes basses lorsque l’activité est importante, ce qui nuit à la propagation des ondes car elles sont atténuées.
Les ondes de sol, appelées aussi ondes de surface, se propagent en restant très près de la surface de la Terre. Elles y subissent très vite une forte absorption et ce, d’autant plus que leur fréquence est élevée. Bien entendu, le profil du relief entre l’antenne d’émission et celle de réception est déterminant. Dans les bandes LF et VLF (300 kHz et en dessous), les ondes se propagent à l’intérieur d’un guide d’ondes dont les parois sont la surface terrestre et la couche D de l’ionosphère. Les espérances de distances de propagation en fonction de la fréquence sont les suivantes : 300 kHz : 2.000 km ; 4 MHz : 100 km ; 10 MHz : 50 km. Mais la conductivité du sol a aussi une grande importance. Ainsi, pour un trajet maritime pour lequel la conductivité de la mer est très élevée, il est possible, à 2 MHz, d’obtenir une portée supérieure à 500 kilomètres. On voit le peu d’efficacité de l’onde de sol sur les fréquences décamétriques et au delà.
En ondes directes, les antennes sont en vue l’une de l’autre. Toutefois, pour les fréquences les plus basses (jusqu’aux UHF), lorsque les ondes rencontrent un obstacle, il se produit un phénomène de diffraction qui permet à l’onde de suivre le relief terrestre, comme le font les ondes de sol, mais à un moindre degré : l’obstacle que forme une montagne par exemple apportera une atténuation importante si la fréquence est élevée.
D’autres modes de propagation existent mais seuls les radioamateurs les utilisent car ils sont peu fiables ou nécessitent des puissances élevées. Ce sont, entre autres, les diffusions troposphériques, les « Duct » (sorte de guide d’ondes), les réflexions sur les traînées ionisées de météorites, sur la Lune (Moon Bounce), sur les nuages de pluie (rain scatting) ou lors des aurores boréales. Ces modes sont utilisés essentiellement en VHF et UHF.