Pourquoi capte-t-on des stations AM lointaines la nuit ?
― Au coucher du soleil, la couche du ciel qui absorbait les ondes disparaît
Une station lointaine, totalement absente en plein jour, se met soudain à parler dès la nuit tombée. Les gens qui font de la radio leur passe-temps ou leur métier le savent d'expérience : « la nuit, les ondes portent plus loin ». Les ondes n'ont pas changé. Ce qui a changé, c'est le ciel, à environ 80 km au-dessus de nos têtes.
La nuit, vous roulez avec la radio AM allumée. Tout à coup, sur l'émission que vous écoutez, une émission en langue inconnue se superpose faiblement.
Si vous tournez un peu le bouton, vous captez des stations de régions situées à des centaines de kilomètres, voire des radios de pays d'outre-mer. De jour, le même geste ne donne que du bruit.
Les radioamateurs et les marins qui ont pratiqué la radio ont appris dans leur chair cette règle : « la nuit, on vise loin avec des fréquences basses ; le jour, avec des fréquences hautes ».
Deux raisons seulement
À environ 100 km d'altitude, il existe une mince couche d'air rendue électrique par la lumière du Soleil. Les ondes radio s'y réfléchissent comme sur un miroir et retombent au-delà de l'horizon.
Pendant la journée seulement, une couche qui absorbe les ondes se forme un peu sous ce plafond (à 60–90 km). Au coucher du soleil, elle disparaît et les ondes atteignent le plafond.
Si l'on entend des stations lointaines la nuit, c'est donc parce que le « plafond réfléchissant » est toujours là, alors que le « plancher absorbant » est retiré pour la nuit. Reprenons pas à pas.
Les ondes rebondissent sur le « plafond » du ciel et vont loin
Les ondes radio sont de la même famille que la lumière : elles vont en ligne droite. Comme la Terre est ronde, une onde qui file droit ne dépasse normalement pas l'horizon.
Or, très haut dans le ciel, les ultraviolets et les rayons X du Soleil arrachent des électrons aux molécules de l'air. On appelle ionosphère cette couche où flottent de nombreux électrons libres.
Quand une onde de fréquence assez basse entre en biais dans une couche riche en électrons, elle est peu à peu courbée et renvoyée vers le bas. Les ondes de la radio AM (fréquence d'environ 0,5 à 1,6 mégahertz) sont de celles qui se laissent facilement renvoyer ainsi.
Regardez la partie droite de la figure 1. La nuit, l'onde émise en biais par l'émetteur est renvoyée par la couche située vers 100 km et retombe à des centaines de kilomètres. On l'appelle « onde ionosphérique ». Si les conditions sont bonnes, elle rebondit plusieurs fois entre le sol et le plafond et va encore plus loin.
Une « couche absorbante » apparue le jour seulement effaçait les stations lointaines
L'ionosphère n'est pas une plaque unique : elle se divise en plusieurs étages selon l'altitude. L'étage le plus bas (60–90 km) se trouve là où l'air est encore dense.
Quand l'air est dense, les électrons secoués par l'onde heurtent aussitôt les molécules voisines. À chaque choc, l'énergie de l'onde se perd en chaleur. Cet étage absorbe donc l'onde avant de pouvoir la renvoyer.
Cet étage bas ne tient que tant que la lumière du Soleil continue d'arracher des électrons. Au coucher du soleil, les électrons se recollent vite aux molécules voisines, et l'étage presque disparaît. L'étage réfléchissant du dessus, où l'air est mince, garde ses électrons jusqu'à la nuit.
Ainsi, la nuit seulement, les ondes AM traversent l'étage absorbant sans encombre et se réfléchissent sur l'étage supérieur. Si l'on n'entend pas les stations lointaines le jour, ce n'est pas que les ondes n'arrivent pas : c'est qu'elles ont été absorbées en chemin.
L'absorption est d'autant plus forte que la fréquence est basse. Les ondes courtes, de fréquence élevée, traversent cet étage même de jour et se réfléchissent sur un étage encore plus haut. La règle des radioamateurs, « fréquences hautes le jour, basses la nuit », colle donc parfaitement à ce mécanisme.
Les radioamateurs qui cherchent des contacts lointains savent que les liaisons passent bien le long de la ligne qui sépare le jour et la nuit sur Terre (la ligne de l'aube ou du crépuscule). On l'explique ainsi : près de cette frontière, l'étage absorbant est en train de disparaître, alors que l'étage réfléchissant reste encore dense.
Jusqu'où vont les ondes de nuit ?
La distance atteinte en un seul rebond dépend de l'altitude de réflexion et de la rondeur de la Terre. Une onde partie au ras de l'horizon et renvoyée à environ 100 km d'altitude peut retomber jusqu'à 2200 km environ, selon le calcul (il se trouve dans le volet repliable final).
Avec le curseur de la figure 2, changez l'altitude de réflexion. Plus l'étage réfléchissant est haut, plus l'onde va loin. En réalité, une onde rasante est faible : la nuit, la radio AM porte d'ordinaire de quelques centaines de kilomètres à un millier et quelques centaines. C'est quand même sans commune mesure avec le jour.
En résumé
Haut dans le ciel, la lumière du Soleil crée une couche qui renvoie les ondes. Le jour, une couche absorbante se forme juste en dessous : les ondes AM ne vont donc pas loin. Au coucher du soleil, la couche absorbante disparaît, et les ondes, réfléchies par la couche du dessus, retombent à des centaines de kilomètres.
Si la radio porte plus loin la nuit, ce n'est pas que les ondes soient plus fortes.
C'est que la couche du ciel qui les absorbait le jour disparaît avec le coucher du soleil.
Cette « couche électrique du ciel » peut aussi être perturbée par les grandes éruptions du Soleil. Lisez aussi Une grande éruption solaire peut-elle provoquer une panne d'électricité sur Terre ? Quant aux sons lointains qu'on entend mieux la nuit, ils relèvent d'un mécanisme tout autre que les ondes radio. Comparez avec Pourquoi entend-on mieux les sons lointains la nuit ? pour bien voir la différence.
- Avec une radio AM (une vraie radio qui capte les ondes, pas une appli de smartphone), cherchez de jour quelques fréquences où l'on n'entend rien, et notez-les.
- Une à deux heures après le coucher du soleil, réglez-vous sur les mêmes fréquences. Voyez si des stations régionales lointaines ou étrangères apparaissent.
- Si vous avez le courage, écoutez encore autour de l'aube. À mesure que le ciel s'éclaircit, vous entendrez les stations lointaines s'éteindre d'un coup.
Dans un bâtiment en béton armé, les ondes sont affaiblies : essayez plutôt près d'une fenêtre. La qualité de la réception varie aussi avec la saison et l'activité solaire.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les manuelsDu collège à l'université : le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences au collège
- LycéeProgramme de physique et de sciences de la Terre au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéCours spécialisés qu'on n'apprend pas au lycée (radioélectricité, physique de la haute atmosphère)
- RechercheSujets que les chercheurs étudient en ce moment, pas encore enseignés comme acquis, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Ionosphère : région située de 60 km à plus de 1000 km d'altitude, où la lumière du Soleil sépare une partie de l'air en électrons et en ions. De bas en haut, on distingue les couches D, E et F.
- Onde ionosphérique (onde de ciel) : onde radio réfléchie par l'ionosphère qui revient au sol. C'est elle qui porte la radio AM loin la nuit.
- Onde de sol (onde de surface) : onde qui suit la surface du sol. De jour, la radio AM arrive surtout par elle, et elle s'affaiblit avec la distance.
CollègeLycéeVérifier par la formule : jusqu'où va un seul rebond ?
On cherche la distance maximale parcourue au sol par une onde partie au ras de l'horizon et renvoyée par une couche d'altitude h. On note R le rayon de la Terre.
| En symboles | d ＝ 2 × √( 2 × R × h ) |
| En mots | Portée ＝ 2 × racine carrée de (2 × rayon de la Terre × altitude de réflexion) |
| D'où vient-elle ? | C'est la distance jusqu'à l'horizon vu depuis l'altitude h (par le théorème de Pythagore, √(2Rh) quand h est très petit devant R), comptée deux fois : à la montée et à la descente |
| Symbole | Sens et unité |
| d | Distance maximale au sol atteinte en un rebond (km) |
| R | Rayon de la Terre (km) |
| h | Altitude de réflexion de l'onde (km) |
| Rayon de la Terre R | environ 6370 km |
| Altitude de réflexion de la radio AM la nuit (couche E) | environ 100 km |
| Exemple : altitude de réflexion des ondes courtes le jour (couche F) | environ 300 km |
| 2 × R | 2 × 6370 ＝ 12740 |
| Multiplier ensuite par h (100 km) | 12740 × 100 ＝ 1274000 |
| Racine carrée de 1274000 (distance à l'horizon) | environ 1129 km |
| Montée et descente | 1129 × 2 ＝ 2258 |
| Comparaison : avec h ＝ 300 km | 12740 × 300 ＝ 3822000 |
| Racine carrée de 3822000 | environ 1955 km |
| Montée et descente | 1955 × 2 ＝ 3910 |
Avec la radio AM de nuit, un seul rebond peut en théorie porter jusqu'à environ 2300 km, soit un peu au-delà de Taipei (à environ 2100 km de Tokyo). C'est la limite pour une onde partie au ras de l'horizon ; en pratique, la réception stable se limite à des distances bien plus courtes.
LycéeLycée+Pourquoi une couche d'électrons courbe-t-elle les ondes ?
LycéeUne onde radio est une onde électromagnétique : c'est la propagation d'oscillations d'un champ électrique et d'un champ magnétique. La réfraction vient de ce que la vitesse de l'onde (plus exactement la vitesse de phase) change selon le milieu. Dans une couche riche en électrons, l'indice de réfraction pour l'onde est inférieur à 1, et une onde entrée en biais est peu à peu courbée vers le bas.
Lycée+La fréquence maximale à laquelle une onde dirigée à la verticale est encore réfléchie s'appelle la fréquence critique ; elle est proportionnelle à la racine carrée de la densité d'électrons (si la densité est multipliée par 4, elle double). Une onde entrant en biais peut être réfléchie même à une fréquence plus haute. Cette limite, mise en forme pour l'usage pratique, est la fréquence maximale utilisable employée en radio.
UniversitéAbsorption dans la couche D et ondes dans un plasma
La propagation des ondes dans l'ionosphère se décrit, comme celle d'ondes électromagnétiques dans un plasma, par la formule d'Appleton-Hartree (théorie magnéto-ionique). Si l'on inclut la fréquence des collisions entre électrons et molécules neutres (fréquence de collision), l'indice de réfraction acquiert une partie imaginaire : c'est l'absorption de la couche D. Son importance varie à peu près comme l'inverse du carré de la fréquence, ce qui explique que les ondes moyennes soient fortement absorbées le jour. La couche D est surtout formée par l'ionisation du monoxyde d'azote par la raie Lyman-α de l'hydrogène solaire, et par l'ionisation due aux rayons X.
📖 Démonstrations de la formule et suites : Wikipédia (japonais) « Ionosphère » ／ NICT, prévisions de météo spatiale : « Ionosphère »
RechercheCe qu'on ne comprend pas encore bien
- Des couches denses qui surgissent. En été, près du Japon, une couche d'électrons très dense (couche E sporadique) apparaît soudain à la hauteur de la couche E, et des ondes de fréquence élevée, qui ne portent pas d'ordinaire, vont alors très loin. On pense que des différences de direction du vent rassemblent les électrons, mais prévoir quand et où elle apparaîtra reste difficile.
- Des secousses venues d'en bas. On a observé que des ondes de l'air produites au sol par des typhons, de grandes éruptions ou de forts séismes atteignent l'ionosphère et font osciller la densité des électrons. L'ampleur et l'étendue de leur effet font encore l'objet de recherches.
- Les changements au lever et au coucher du soleil. La vitesse à laquelle la couche D se forme et disparaît à la frontière de l'aube et du crépuscule varie avec la saison et l'activité solaire ; les détails restent à observer.
Le contenu de cet article n'est donc qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». L'ionosphère est une couche vivante, secouée à la fois par le Soleil et par le sol.
Liens avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : « Structure de l'atmosphère », « Réflexion et réfraction de la lumière » | Ondes réfléchies par une couche du ciel |
| Lycée | Physique « Ondes électromagnétiques », sciences de la Terre « Structure de l'atmosphère » | Les étages de l'ionosphère, retour des ondes par réfraction |
| Lycée+ | Physique (approfondissement) « Indice de réfraction et vitesse des ondes » | Fréquence critique, fréquence maximale utilisable |
| Université | Radioélectricité, physique de la haute atmosphère | Formule d'Appleton-Hartree, absorption de la couche D |
| Recherche | Météo spatiale, couplage entre atmosphère et ionosphère | Couche E sporadique, secousses venues d'en bas |
| ― | Liens avec la vie courante | Interférences de la radio la nuit, choix des fréquences en radio, recherche d'informations en cas de catastrophe |
- Institut national des technologies de l'information et de la communication, NICT (情報通信研究機構), prévisions de météo spatiale : « Ionosphère »
- Wikipédia (japonais) : « 電離層 » (Ionosphère)
- The Nobel Prize in Physics 1947: Edward V. Appleton (prix reçu pour l'observation de l'ionosphère)
- K. Davies, Ionospheric Radio, Peter Peregrinus (manuel sur la propagation des ondes dans l'ionosphère)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. La portée des ondes varie beaucoup selon la saison, l'heure, l'activité solaire et les conditions de réception.