Propagacja fal radiowych to fascynujący i złożony proces, który decyduje o tym, jak daleko i jak stabilnie dotrze sygnał radiowy z nadajnika do odbiornika. Mimo że dwa nadajniki mogą emitować sygnał z identyczną mocą, różnice w zasięgu – od kilku kilometrów do globalnej łączności – wynikają z fundamentalnych praw fizyki i interakcji fal elektromagnetycznych ze środowiskiem, w którym się rozchodzą.

Kluczowym czynnikiem, który determinuje zasięg i sposób rozchodzenia się fali, jest jej częstotliwość, a co za tym idzie – długość fali. Różne zakresy częstotliwości wykorzystują zupełnie inne mechanizmy propagacji, co bezpośrednio odpowiada na pytanie, dlaczego fale o tej samej mocy mają diametralnie różny zasięg.

Czynniki wpływające na propagację fal radiowych

Propagacja fal radiowych zależy od dwóch głównych grup czynników: właściwości samej fali oraz warunków panujących w środowisku, przez które się ona rozchodzi.

1. Właściwości fali (częstotliwość i długość)

Częstotliwość jest najważniejszym parametrem, ponieważ decyduje o tym, czy fala będzie się rozchodzić głównie wzdłuż powierzchni Ziemi, odbijać od jonosfery, czy też będzie ograniczona do zasięgu optycznego.

• Fale długie (LF) i średnie (MF): Charakteryzują się stabilną propagacją w postaci fali przyziemnej (powierzchniowej), która niejako "ślizga się" wzdłuż powierzchni Ziemi, pokonując zakrzywienie planety. Fale te są mniej podatne na tłumienie przez przeszkody terenowe i pozwalają na stabilny zasięg lokalny i regionalny.
• Fale krótkie (HF): Ich zasięg przyziemny jest niewielki, ale kluczowym mechanizmem jest fala jonosferyczna (przestrzenna). Fale te odbijają się od zjonizowanych warstw atmosfery (jonosfery), wracają na Ziemię, odbijają się od niej i ponownie trafiają do jonosfery, co umożliwia łączność na dystansach międzykontynentalnych (tzw. DX).
• Fale ultrakrótkie (UKF/VHF/UHF): Rozchodzą się niemal prostoliniowo, podobnie jak światło, a ich zasięg jest w dużej mierze ograniczony do horyzontu optycznego (propagacja w wolnej przestrzeni). Są one bardzo podatne na tłumienie i odbicia od przeszkód.

2. Warunki środowiskowe i atmosferyczne

Środowisko, przez które przechodzi fala, ma ogromny wpływ na jej energię i kierunek.

Wpływ Troposfery (Dolna Atmosfera)

Troposfera (warstwa do ok. 10–16 km) wpływa na propagację fal ultrakrótkich (UKF/VHF/UHF).

• Warunki meteorologiczne: Mgła, deszcz, śnieg i opady atmosferyczne powodują tłumienie (pochłanianie energii) fal, zwłaszcza tych o wyższych częstotliwościach (krótszych długościach).
• Refrakcja (załamanie): Zmiany temperatury i wilgotności powietrza (gradienty gęstości) powodują załamanie (odchylenie) toru fali od linii prostej. W sprzyjających warunkach może dojść do powstania duktów troposferycznych (kanałów), które "więżą" fale UKF i prowadzą je na odległości znacznie przekraczające horyzont optyczny (nawet 500–2500 km).

Wpływ Jonosfery (Górna Atmosfera)

Jonosfera (powyżej ok. 60 km) ma decydujące znaczenie dla propagacji fal krótkich (HF) i średnich (MF).

• Aktywność Słoneczna: Promieniowanie słoneczne jonizuje atmosferę, tworząc warstwy (D, E, F1, F2), od których odbijają się fale radiowe. Aktywność Słońca (cykl 11-letni, plamy słoneczne, rozbłyski) ma ogromny wpływ na jakość i zasięg łączności krótkofalowej.
• Pora Dnia i Roku: W ciągu dnia jonizacja jest silniejsza, co prowadzi do większego tłumienia fal krótkich w niższych warstwach (D), podczas gdy nocą warstwy te zanikają, umożliwiając falom dotarcie do wyższych warstw (F2), skąd odbijają się i wracają na Ziemię, co skutkuje większym zasięgiem nocnym dla fal średnich i krótkich.

Wpływ Terenu i Przeszkód

Charakter powierzchni, wzdłuż której rozchodzi się fala, jest kluczowy dla fali przyziemnej i propagacji w linii wzroku.

• Przewodność Gruntu: Fale przyziemne rozchodzą się najlepiej nad wodą (morze), a najgorzej nad gruntem o małej przewodności (piaski, tereny miejskie).
• Przeszkody: Budynki, góry, lasy powodują odbicie, rozproszenie i pochłanianie (tłumienie) energii fali, co skraca zasięg, zwłaszcza w zakresie UKF i wyższych.

Dlaczego fale o tej samej mocy mają różny zasięg?

Odpowiedź na to pytanie jest ściśle związana z opisanymi wyżej mechanizmami propagacji, które są zależne od częstotliwości.

1. Fale Długie (LF) i Średnie (MF) – Stabilny Zasięg Powierzchniowy

Fale te (o niskiej częstotliwości i dużej długości) mają zdolność do rozchodzenia się jako fala powierzchniowa (przyziemna), która podąża za krzywizną Ziemi.

• Duży zasięg: Dzięki tej zdolności mogą pokonywać duże odległości (setki, a nawet tysiące kilometrów) bez konieczności odbicia od jonosfery.
• Nocny bonus: W nocy, dzięki odbiciom od jonosfery, zasięg fal średnich może wzrosnąć do ponad 1000 km, choć jest to zasięg niestabilny i podatny na zakłócenia.

2. Fale Krótkie (HF) – Zasięg Globalny (DX)

Mimo że fala przyziemna na tym zakresie szybko zanika (kilkadziesiąt kilometrów), fale krótkie są idealnie dopasowane do odbicia od jonosfery.

• Skoki: Fala odbija się od jonosfery, wraca na Ziemię, odbija się od niej i znowu trafia do jonosfery – ten mechanizm "skoków" pozwala na osiągnięcie zasięgu ogólnoświatowego (łączność DX).
• Zmienność: Zasięg ten jest jednak bardzo zmienny i zależy od pory dnia, roku i 11-letniego cyklu słonecznego.

3. Fale Ultrakrótkie (UKF/VHF/UHF) – Zasięg Ograniczony Horyzontem

Fale o wysokiej częstotliwości (krótkiej długości) nie odbijają się od jonosfery i nie mają efektywnej fali powierzchniowej.

• Linia wzroku: Propagują się głównie w linii prostej, co oznacza, że zasięg jest ograniczony przez horyzont optyczny (zazwyczaj kilkadziesiąt kilometrów).
• Większe tłumienie: Są silniej pochłaniane przez przeszkody i warunki atmosferyczne (deszcz, mgła).
• Wniosek: Nadajnik UKF o mocy 1 kW będzie miał zasięg lokalny (kilkadziesiąt km), podczas gdy nadajnik fal długich o tej samej mocy może być słyszalny na odległościach rzędu 1000 km, ponieważ wykorzystuje zupełnie inny, bardziej efektywny na duże dystanse, mechanizm propagacji.

Podsumowując, różnice w zasięgu fal radiowych o tej samej mocy wynikają głównie z tego, że każdy zakres częstotliwości ma przypisany inny, dominujący sposób interakcji z atmosferą i powierzchnią Ziemi. Fale długie i średnie "obejmują" Ziemię dzięki fali przyziemnej, fale krótkie "przeskakują" dzięki jonosferze, a fale ultrakrótkie są ograniczone do zasięgu optycznego, chyba że wystąpią sprzyjające warunki troposferyczne. To właśnie ta zależność między częstotliwością a mechanizmem propagacji jest kluczem do zrozumienia, dlaczego radio AM (fale średnie) słychać w nocy z dalekich krajów, a radio FM (UKF) zanika zaraz za miastem.