Les Principes du Radar

Atmosphère terrestre

L’atmosphère terrestre complique la propagation des ondes radio en introduisant des variations de densité, de température et de composition le long du trajet de l’onde électromagnétique. Elle peut être divisée en trois régions principales qui forment des strates superposée :

• La troposphère ;
• La stratosphère et
• L'ionosphère.

La troposphère

La troposphère est la couche qui débute au sol. Elle peut s’étendre jusqu’à environ 6 km d’altitude aux Pôles et 18 km à l’équateur. Son épaisseur varie cependant avec les saisons: plus mince en hiver et plus épaisse en été. On y retrouve la biosphère et presque tous les phénomènes météorologiques.

La température décroit avec l’altitude dans la troposphère ce qui permet la formation de nuages et de précipitations par la condensation de la vapeur d’eau qu’elle contient. L’air y est turbulent à cause des variations verticales et horizontales de température et de pression. Le tout a un important effet sur la propagation des ondes radio.

La stratosphère

À la limite supérieure de la troposphère, la température devient stable sur quelques kilomètres d’épaisseur dans ce qui s’appelle la tropopause. La stratosphère débute quand la température commence à augmenter avec l’altitude. Elle s’étend jusqu’à l’ionosphère (60 à 80 km d’altitude).

La température augmente donc graduellement jusqu’à environ 60 km d’altitude grâce à la formation d’ozone dont la densité maximale est vers 25 km d’altitude. En effet, l’ozone absorbe la plus grande partie du rayonnement ultra-violet du soleil, qui est dangereux pour la vie, et donc son énergie. Le contenu en vapeur d’eau est négligeable et l’air est stable à cause de l’inversion de température, ce qui limite les effets indésirables sur les ondes radio.

La température se stabilise près du point de congélation vers 60 km d’altitude dans une région appelée la stratopause. Elle se refroidit rapidement par la suite car il n’y que peu d’ozone à ces altitudes.

L’ionosphère

L’ionosphère s’étend jusqu’à plus de 400 km de la surface terrestre. Elle contient quatre couches de particules ionisées semblables à des nuages. Elles permettent aux ondes radio de se propager à de très grandes distances autour de la Terre.

L’ionisation se produit par l’absorption de l’énergie d’un photon ultraviolet de haute énergie provenant du Soleil par un atome de gaz. Les électrons externes de l’atome sont alors poussé vers une orbite tellement éloigné du noyau qu’un ou plusieurs sont littéralement expulsés avec une partie de cette énergie. Contrairement à un atome au repos qui est neutre, ayant un nombre égal d’électron et de proton, l’atome ionisé est chargé positivement.

Comme la radiation solaire est constante, il y constamment formation d’atomes ionisés. De plus, les électrons libres absorbent une partie du rayonnement également ce qui tend à contrôler le processus. Le tout permet de former une couche ionisée stable mais qui variera d’épaisseur et de densité selon le taux de rayonnement solaire et la densité des atomes à cette altitude.

Comme le spectre de radiations ultra-violet du Soleil occupent une certaines bande de fréquence, plusieurs couches ionisées se formeront à différentes altitudes. Les fréquences les moins énergétiques, de fréquences les plus basses, pénètrent moins dans l’atmosphère et forment les couches ionisées les plus hautes en altitude. Inversement pour celles de plus haute énergie.

• Couche D : altitude de 60 à 90 km, pression de 2 Pa, température de –75 à –60 °C et densité électronique de 10⁴. Constituée d'ions poly-atomiques, elle absorbe les ondes de fréquence inférieure à quelques MHz et laisse passer celle de haute fréquence mais avec atténuation. Elle apparaît avec le lever du Soleil et disparaît immédiatement après le coucher de celui-ci à cause de la recombinaison des ions.
• Couche E : connue aussi sous le nom de couche de Kennelly-Heaviside, du nom des deux chercheurs qui ont proposé son existence. Elle se situe entre les altitudes de 90 à 120 km avec une pression de 0,01 Pa, une température autour de -50 °C et une densité électronique de 10⁵. Elle est constituée d'oxygène et monoxyde d'azote moléculaires ionisés, et d'ions météoritiques. Diurne, la recombinaison des ions y est rapide et elle est disparue avant minuit. Elle réfléchit les ondes de quelques MHz jusqu'à une fréquence limite qui dépend de l'angle d'incidence de l'onde sur la couche et de la densité de celle-ci (généralement 20 MHz). Pour cette raison, elle est utilisée pour augmenter la portée d’un signal radio jusqu’à 2 500 kilomètres de l’émetteur.
• Couche F : formée de deux sous-couches F₁ et F₂ de jour, elle se situe à une altitude de 120 à 400 km, mais parfois plus. La pression y est de 1·10^-4 Pa, la température dépasse le point de congélation et la densité électronique est de 10⁶. Constituée d'atomes d'oxygène, d'azote et d'hydrogène, elle est très dépendante de l'activité solaire, elle présente un niveau d'ionisation très important pendant les maxima du cycle solaire et son altitude fluctue en fonction du cycle diurne. Les deux sous-couches se recombinent la nuit plusieurs heures après le coucher du Soleil mais comme l’air est très raréfié à cette altitude, l’ionisation persiste même la nuit. La couche F est responsable pour la transmission à grande distance des hautes fréquences.