Radar Basics

Propagazione delle onde elettromagnetiche

La propagazione delle onde elettromagnetiche in un mezzo omogeneo di caratteristiche costanti segue leggi quasi ottiche. In pratica, però, tali condizioni sono relativamente rare nell’atmosfera terrestre.

Propagazione anomala

La propagazione anomala o anomala (definita anaprop nelle fonti in lingua inglese) si verifica quando il coefficiente di rifrazione cambia a causa del gradiente di temperatura, della pressione atmosferica e dell’umidità. L’influenza dei fattori citati può portare a diverse condizioni non standard di propagazione delle onde elettromagnetiche (Figura 1).

Strato di inversione

Figura 2: Inversione atmosferica

Strato di inversione

Figura 2: Inversione atmosferica

Una delle anomalie più comuni delle condizioni atmosferiche in Europa è l’inversione termica, che si verifica quando il calore viene irradiato dalla terra durante una notte serena. La temperatura al suolo si abbassa, ma l’atmosfera superiore rimane relativamente calda. In questo caso, il gradiente di temperatura è l’opposto (inverso) del normale gradiente di temperatura negativo, in cui la temperatura dell’atmosfera diminuisce con l’aumentare dell’altitudine. Questa inversione di temperatura determina una curvatura del percorso di propagazione dell’onda elettromagnetica verso la superficie terrestre (Figura 2). Questo aumenta notevolmente la portata dei veicoli radio attivi, compresi i radar.

Super rifrazione

In alcuni casi particolari, come sulla superficie del mare, quando l’aria più calda proveniente dalla terraferma viene spostata da quella più fredda proveniente dall’acqua, si può verificare il fenomeno della super rifrazione. Sono noti esempi in cui la portata teorica di un veicolo radio è stata superata del 600%.

In condizioni di rifrazione sferica, un segnale riflesso da un bersaglio può apparire nel periodo di scandaglio successivo (o anche dopo). Ovviamente, la posizione del segno del bersaglio sul display del radar non corrisponderebbe alla posizione effettiva del bersaglio nello spazio e le sue coordinate sarebbero misurate in modo errato.

Canalizzazione atmosferica

In condizioni atmosferiche normali, l’aria più calda si trova vicino alla superficie terrestre. Man mano che si sale di quota, l’aria diventa gradualmente più fredda. Tuttavia, a volte si verifica una situazione insolita in cui si formano strati di aria calda sopra strati di aria fredda. Questa situazione è nota come inversione di temperatura. Il verificarsi di un’inversione di temperatura comporta l’intrappolamento di strati di aria fredda tra la superficie terrestre e uno strato di aria calda o tra due strati di aria calda. In questo modo si crea il cosiddetto canalizzazione atmosferica.

strati inversi

zona morta

Figura 3: Canalizzazione atmosferica

strati inversi

zona morta

Figura 3: Canalizzazione atmosferica

Se un’onda elettromagnetica (in particolare nelle bande HF e VHF) emessa da un’antenna trasmittente entra in un canale con aria fredda con un angolo di incidenza molto piccolo, può propagarsi ben oltre il normale raggio d’azione della linea di vista. Quando i canali atmosferici sono causati da inversioni di temperatura, non è insolito che si abbia una buona ricezione televisiva da una stazione distante centinaia di chilometri. Il motivo è la differenza di densità e indice di rifrazione tra aria calda e fredda. Un’improvvisa variazione della densità dell’aria, quando un’onda elettromagnetica entra in uno strato di aria calda sopra un canale, la fa rifrangere verso la Terra. Quando l’onda colpisce la Terra o lo strato di aria calda sotto il canale, viene nuovamente riflessa o rifratta verso l’alto e viaggia ulteriormente lungo il canale con riflessioni multiple. Un esempio di propagazione delle onde radio attraverso un canale atmosferico è illustrato nella Figura 3.

Sub-rifrazione

La situazione opposta è possibile anche quando le condizioni atmosferiche sono tali da far sì che la traiettoria dell’onda elettromagnetica si allontani dalla superficie terrestre, anziché orientarsi verso di essa. Questo fenomeno è chiamato rifrazione negativa o sub-rifrazione. In condizioni di sub-rifrazione si verifica una diminuzione del campo di rilevamento dei target. Ciò si manifesta con la comparsa di cali di copertura radar a piccoli angoli di elevazione.

La tabella 1 fornisce una panoramica delle diverse condizioni anomale della propagazione elettromagnetica.

Rifrazione	Gradiente di indice di rifrazione	Rappresentazione schematica	Condizioni di accadimento
Negativo (sub-rifrazione)	>0		Nevicate, Una situazione in cui, con l’aumentare dell’altitudine, la temperatura scende molto più rapidamente e l’umidità diminuisce molto più lentamente rispetto a un’atmosfera normale.
Nessuno	0		Se l’indice di rifrazione non cambia in un certo intervallo di altitudine.
Positivo, debole	da 0 a −4·10−8		Tempo piovoso e nuvoloso se, con l’aumentare dell’altitudine, la temperatura diminuisce molto più velocemente e l’umidità diminuisce più lentamente rispetto a un’atmosfera normale.
Positivo, normale	−4·10−8		Il cielo è nuvoloso quando gli strati atmosferici sono ben mescolati. Corrisponde a un’atmosfera normale se la temperatura dell’aria scende di 6,5° per 1 km di altitudine e la pressione scende di 3,5 mbar per 1 km di altitudine.
Positivo, aumentato	da −4·10−8 a −17,5·10−8		Tempo sereno dopo il tramonto, quando la temperatura dell’aria diminuisce leggermente con l’altitudine, ovvero inizia l’inversione termica.
Positivo, critico	−17,5·10−8		Tempo sereno dopo il tramonto con inversione termica
Super rifrazione	inferiore a −17,5·10−8		Alta pressione, inversione termica significativa e umidità ridotta. Significativo sulla terraferma di notte e al mattino, sul mare con tempo sereno spesso per giorni interi, quando l’aria alla superficie del mare è meno calda e più umida rispetto agli strati più alti.

Tabella 1 - Classificazione della rifrazione delle onde radio nell’atmosfera terrestre