Dlaczego radio AM nocą dociera znacznie dalej?

Przenośny odbiornik AM/FM General Electric z 1964 roku. Fot. Joe Haupt, licencja CC BY-SA 2.0.

Wieczorem zwykłe radio ustawione na fale średnie potrafi zrobić coś, co za dnia wydaje się niemożliwe. Między lokalnymi stacjami pojawiają się odległe głosy, obce języki i sygnały nadajników oddalonych o setki, a czasem nawet tysiące kilometrów. Nie oznacza to, że nocą nadajniki nagle zwiększają moc. Zmienia się droga, którą fala radiowa dociera do odbiornika.

To jedno z najbardziej charakterystycznych zjawisk związanych z radiem AM. Żeby je zrozumieć, trzeba spojrzeć wyżej niż na maszt nadawczy — aż do jonosfery.

AM to sposób nadawania, nie jedna konkretna fala

Skrót AM oznacza modulację amplitudy. W takim sygnale informacja dźwiękowa zmienia amplitudę fali nośnej. W codziennej mowie „radio AM” zwykle oznacza jednak stacje pracujące na falach długich lub średnich. W Europie szczególnie ważne były fale średnie, oznaczane na odbiornikach jako MW, a w starszych polskich radiach także jako ŚR.

Fale średnie mają znacznie niższą częstotliwość niż pasmo FM. Dzięki temu zachowują się inaczej w atmosferze i inaczej omijają przeszkody. W dzień sygnał stacji AM dociera przede wszystkim jako fala przyziemna, rozchodząca się wzdłuż powierzchni Ziemi. Jej zasięg zależy od mocy nadajnika, częstotliwości, rodzaju gruntu i przewodności terenu. Nad słoną wodą taka fala może dotrzeć znacznie dalej niż nad suchym, skalistym lądem.

Dwie drogi sygnału: przy ziemi i przez niebo

Odbiornik może otrzymać sygnał AM dwiema głównymi drogami. Pierwszą jest wspomniana fala przyziemna. Drugą — fala jonosferyczna, nazywana po angielsku skywave. Nadajnik wysyła część energii pod kątem ku górze. Fala dociera do zjonizowanych warstw górnej atmosfery, zmienia tam kierunek i wraca ku powierzchni Ziemi daleko poza horyzontem.

Często mówi się, że jonosfera „odbija” fale radiowe. To wygodne uproszczenie. W rzeczywistości sygnał jest stopniowo załamywany w obszarze zawierającym swobodne elektrony. Dla słuchacza rezultat jest jednak podobny do odbicia od niewidzialnego lustra: fala wysłana w niebo wraca w zupełnie innym miejscu.

Jonosfera rozciąga się mniej więcej od 80 do 600 kilometrów nad Ziemią. Jak wyjaśnia NOAA Space Weather Prediction Center, promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie Słońca jonizuje znajdujące się tam atomy i cząsteczki. Powstają warstwy określane literami D, E i F. Ich właściwości zmieniają się w ciągu doby, bo głównym źródłem jonizacji jest Słońce.

Co dzieje się po zachodzie Słońca?

W dzień najniższa część jonosfery, warstwa D, jest silnie jonizowana. Dla fal średnich działa ona przede wszystkim jak pochłaniacz energii. Sygnał wysłany ku górze jest osłabiany, zanim zdąży wrócić na Ziemię. Dlatego w ciągu dnia odbiór AM opiera się głównie na fali przyziemnej, a liczba słyszalnych stacji jest stosunkowo niewielka.

Po zachodzie Słońca sytuacja szybko się zmienia. Bez dopływu promieniowania słonecznego liczba swobodnych elektronów w dolnej jonosferze maleje, a warstwa D niemal zanika. Opisuje to również materiał edukacyjny NOAA JetStream. Fale średnie przestają być tak silnie pochłaniane i mogą dotrzeć do wyższych warstw E oraz F, gdzie zmieniają kierunek i wracają ku Ziemi.

Właśnie dlatego po zmroku pojawiają się odległe stacje. Sygnał może pokonać jeden „skok” między jonosferą a powierzchnią Ziemi, a w sprzyjających warunkach także kilka takich odcinków. Zasięg nie jest stały. Zależy od pory nocy, sezonu, częstotliwości, aktywności słonecznej i aktualnego stanu jonosfery. NASA przypomina, że sygnały radiowe mogą przechodzić przez jonosferę albo wykorzystywać ją do docierania poza horyzont.

Dlaczego wieczorem na jednej częstotliwości słychać kilka stacji?

Większy zasięg ma również ciemną stronę. Na tej samej częstotliwości mogą pracować nadajniki w wielu krajach, oddalone od siebie tak bardzo, że w dzień sobie nie przeszkadzają. Nocą ich sygnały spotykają się w jednym odbiorniku. Słychać wtedy nakładanie audycji, gwizdy, pulsowanie i charakterystyczne zaniki.

Zaniki, czyli fading, powstają między innymi wtedy, gdy do anteny dociera kilka kopii tego samego sygnału różnymi drogami. Ich fazy chwilami się wzmacniają, a chwilami znoszą. Dlatego odległa stacja może przez minutę brzmieć bardzo wyraźnie, po czym niemal całkowicie zniknąć i po chwili powrócić.

Problem nocnych zakłóceń jest tak istotny, że regulatorzy uwzględniają go przy przydzielaniu częstotliwości i mocy nadajników. Amerykańska Federalna Komisja Łączności wyjaśnia, że wiele stacji AM musi po zmroku zmniejszać moc, zmieniać charakterystykę anteny albo kończyć nadawanie, aby nie zakłócać innych rozgłośni. Podobne zasady koordynacji częstotliwości są potrzebne wszędzie tam, gdzie nocny sygnał przekracza granice regionów i państw.

Dlaczego FM nie zachowuje się tak samo?

Pasmo FM pracuje na znacznie wyższych częstotliwościach. W normalnych warunkach fale te przechodzą przez jonosferę zamiast wracać ku Ziemi, dlatego ich odbiór jest głównie ograniczony widocznością radiową między antenami. Wysoki maszt zwiększa zasięg, ale po zachodzie Słońca typowa stacja FM nie zaczyna nagle docierać o tysiąc kilometrów dalej.

Od tej reguły istnieją wyjątki, takie jak propagacja troposferyczna czy sporadyczna warstwa E. Mogą one zapewnić daleki odbiór UKF, lecz są mniej regularne i nie stanowią codziennego, nocnego rytuału znanego z fal średnich.

Jak samemu usłyszeć nocną propagację?

Do prostego eksperymentu nie potrzeba specjalistycznego sprzętu. Wystarczy odbiornik z zakresem AM lub MW. Najlepsze efekty zwykle pojawiają się kilka godzin po zachodzie Słońca, z dala od urządzeń elektronicznych. Zasilacze impulsowe, lampy LED, komputery, ładowarki i instalacje fotowoltaiczne potrafią wytwarzać zakłócenia, które skutecznie przykrywają słabe stacje.

Warto przestrajać radio powoli i zapisywać częstotliwości, godziny oraz rozpoznane nazwy rozgłośni. Wiele przenośnych odbiorników ma wewnątrz antenę ferrytową. Jest ona kierunkowa, dlatego samo obrócenie radia na stole może osłabić jedną stację i wydobyć drugą, nadającą na tej samej częstotliwości z innego kierunku.

Najciekawsze rezultaty przynosi porównanie odbioru tej samej częstotliwości w dzień, tuż po zachodzie Słońca i późnym wieczorem. W ciągu kilku godzin spokojne pasmo potrafi zamienić się w radiową mapę kontynentu. To jedna z niewielu sytuacji, w których zmiany zachodzące setki kilometrów nad nami można rozpoznać zwykłym odbiornikiem stojącym na parapecie.

Nocne radio jako okno na atmosferę

Daleki odbiór AM nie jest magiczną właściwością starego radia ani efektem zwiększenia mocy nadajnika. Jest rezultatem współpracy fal radiowych, krzywizny Ziemi i jonosfery, której struktura zmienia się wraz ze światłem słonecznym. Za dnia dolna warstwa pochłania znaczną część energii wysyłanej w górę. Nocą pochłanianie słabnie, a sygnały mogą wracać z wyższych warstw daleko poza horyzontem.

Dzięki temu fale średnie pozostają fascynującym pasmem nawet w epoce streamingu. Każdy wieczór może przynieść inny zestaw stacji, a obrót niewielkiego odbiornika czasem wystarcza, by przenieść słuchacza o setki kilometrów.