¿Cuál es la explicación científica de las ondas de radio que se doblan alrededor de la Tierra?

Question

El experimento

Este experimento está documentado en un documental llamado Convexa de la Tierra. La ubicación exacta de la siguiente información es tomada de comienza a las 14:25.

Alta frecuencia de las antenas direccionales conjunto de hasta 14 km de distancia de 1.5 m [recuerdo diciendo 1m en el video, pero el experimento nota, location and height, he agregado a continuación dice: 1.5 m] de nivel de agua. Ambos se encuentran en puntos a lo largo de la costa de un gran cuerpo de agua, con suficiente costera de la curvatura de la que sólo el agua entre los dos puntos. Por lo tanto, no hay objetos o masas de tierra obstrucción de los mismos.

Según los investigadores, la curvatura de la Tierra a lo largo de esa distancia, para una antena de 1 m por encima del suelo, podría representar un obstáculo de 3.84 m. Esto debería ser suficiente para evitar que las antenas se quede en contacto por radio.

La imagen de arriba ilustra lo que se ha descrito. (La casa está en la imagen como un ejemplo de un objeto de 3,84 m de altura).

La investigación

He leído en línea que las ondas de radio, especialmente los pequeños, sería casi totalmente afectado por la gravedad. Realmente grandes ondas de radio se puede doblar ligeramente alrededor de la curvatura de la Tierra, más allá de la línea de visión, pero es nominal. Esto parece estar en contradicción con lo que este experimento ha demostrado.

Un ejemplo de dicha información, y otro.

Coordinar Info [Añadido Más Tarde]

En su sitio web (que he mirado desde la publicación de esta pregunta, para obtener más detalles precisos), el estado de las ubicaciones de las dos de la antena como:

Team A: São Lourenço do Sul, RS 31 ° 22'42.37 "S 51 ° 57'40.79" W 
Team B: São Lourenço do Sul, RS 31 ° 30'0.91 "S 52 ° 0'26.88" W

Lo he comprobado, y la distancia entre los puntos es 14.24 km. He utilizado esta herramienta para comprobar. Aquí está una captura de pantalla del resultado.

El equipo de la Radio [agregado el 9 de junio]

El equipo utilizado en el experimento fue de dos juegos de los siguientes :

1 Radio Ubiquiti Bullet M5 HP Aprobada por Anatel para 400mW que operan en la banda de 5800 Mhz

1 plato de satélite Aquarius Aprobado por la FCC con 24 dB de ganancia y 4 grados de apertura

1 Radio UHF HT

HT VHF de Radio 1 con 2 dB antena omni-direccional

1 radio HT doble banda VHF / UHF

Todos los demás información sobre el experimento se detalla aquí.

ubicación y altura

En el video citado, me dio la impresión de una antena estuvo en la tierra, y la otra antena estaba en un barco en el agua. Pero buscando en los lugares dado que en el experimento notas, me parece que ambos están en los puntos a lo largo de la costa. Yo no estaba seguro de por qué era así. Desde entonces he visto esta nota en el experimento de notas:

Nota: el Equipo B de coordenadas de la que actualmente aparece en el agua, pero cuando en 2011, el experimento se realizó había una cala donde el equipo fue instalado. El equipo de ambos equipos fueron colocados a 1.5 metros de la altura del nivel de agua.

Pregunta

¿Cuál es la explicación científica, utilizando aceptado leyes de la física, para explicar cómo estos de alta frecuencia de las ondas de radio pueden hacer contacto con el frente de la antena a una distancia de 14 km?

Adicionales relacionados con la info

Un experimento similar fue llevada a cabo por los mismos investigadores, utilizando un rayo láser. Se transmite a través de una distancia de 33.78 km, a 1,5 m por encima del nivel del agua. También fue transmitido satisfactoriamente entre los dos puntos con los que la distancia entre ellos.

Answer 1

EDIT: En el interés de evitar la difusión de información engañosa, he eliminado las partes de esta respuesta que han sido impugnados o refutada en los comentarios y modificaciones en esta pregunta. Específicamente, las partes acerca de la CONFIRMACIÓN/Distancia que se muestra en la pantalla en 42:47 y el cálculo de la curvatura se han eliminado. El resto de esta respuesta, sin embargo, sigue en pie.

TL;DR: Que erróneamente se creyó que las antenas de radio fueron los láseres. Las antenas debe ser capaz de conectarse incluso en una curva de la Tierra.

El vídeo pretende que la señal de salida de las antenas de radio es como un rayo láser, se centró en la línea que emana desde el transmisor hasta el receptor, sin divergentes. En realidad, esto no es ni siquiera cerca de la verdad, incluso para direccional antenas de radio. Tanto la transmisión de la señal y el receptor de la aceptación obtener más amplio más allá de las respectivas antenas, puramente debido a la difractivos propiedades de las ondas. Esto significa que la señal que realmente se propaga en un gran elipsoidal de la región entre las antenas se llama la zona de Fresnel**. La regla de oro que se usa en la ingeniería de sistemas es que siempre que como mínimo el 60 por ciento de la zona de Fresnel esté libre de obstáculos, la recepción de la señal debe ser posible.

El radio máximo $F$ de la zona de Fresnel es dado en el mismo artículo de la Wikipedia por

$$F=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{cD}{f}}\,,$$

donde $c=3\times {10}^8 \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$ es la velocidad de la luz, $D$ es la propagación a distancia y $f$ es la frecuencia. El uso de $D=14 \, \mathrm{km}$ $f=5.880 \, \mathrm{GHz},$ vemos que $F=13.69 \, \mathrm{m}.$ Como se puede ver, el haz se expande masivamente a través de una distancia. Si usted corta la parte inferior $3.84 \, \mathrm{m}$ de ese círculo, usted encontrará que la fracción de la viga que está obstruido por obstrucción a la altura de la $h$ a partir de la fórmula para el área de el corte de la porción dada aquí:

$$\frac{A_{\text{obstructed}}}{A_{\text{whole beam}}}=\frac{F^2\cos^{-1}\left(\frac{F-h}{F}\right)-(F-h)\sqrt{2Fh-h^2}}{\pi F^2}\,.$$

La evaluación de esta expresión para $F=13.69 \, \mathrm{m}$ $h=3.84 \, \mathrm{m}$ le da una obstrucción de la fracción de $\frac{A_{\text{obstructed}}}{A_{\text{whole beam}}}=0.085.$

Así, incluso en una curva de la tierra, sólo el 8,5 por ciento de la viga se obstruido. Esto es así dentro de la regla de oro (que requiere menos de 40 por ciento de la obstrucción), por lo que las antenas debe ser capaz de conectar en una curva de la Tierra.

**En realidad, la propagación de ondas de radio entre dos antenas, es complicado, y estoy necesariamente saltando sobre un montón de detalles aquí, o de lo contrario este post iba a ser un libro de texto. A lo que me refiero como la "zona de Fresnel" aquí es, técnicamente, la primera zona de Fresnel, pero la distinción no es necesaria aquí.

Answer 2

Dado que la respuesta existente tiene un par de errores (ver mis comentarios en los que de otra manera excelente respuesta), quería ofrecer otra toma. Hay tres fenómenos clave en juego aquí, la refracción, la línea de visión, y la difracción. Voy a abordar en cada turno.

La refracción

Dado que la atmósfera disminuye en densidad a medida que ascendemos en altitud, se actúa para refractar las ondas de radio. Esto tiene la misma raíz que causa la curvatura de luz cuando pasa entre dos medios con diferentes índices de refracción (por ejemplo, un prisma o la curvatura de la luz como mirar hacia abajo en una piscina). Esto significa que la óptica o radio horizonte es en realidad más lejos que el horizonte geométrico. Suponiendo condiciones atmosféricas normales, esto puede ser explicada por calcular el horizonte distancia como si el radio de la tierra era mayor por un factor de 4/3 (enlace de Wikipedia). La distancia hasta el horizonte se puede calcular como $$d_{\rm horizon} = \sqrt{2kRh+h^2}$$ donde $R$ es el radio de la tierra (alrededor de 6371 km), $k$ es el factor multiplicativo (4/3 para las ondas de radio), y $h$ es la altura por encima del suelo. Basado en el video, vamos a suponer que la primera antena es de alrededor de 1.5 m por encima del suelo, que da un horizonte de distancia de 5.048 km.

También es posible que algunos de los ductos efectos están en juego. Que daría lugar a una muy buena transmisión y explicar totalmente el vínculo exitoso por sí mismo.

La línea de visión

Así que sabemos lo lejos, el horizonte se basa en la correcta refracción de las ondas de radio, pero ¿a que distancia se puede ver la otra antena? Algunos simple trigonometría revela que a ver otra antena distancia$d_{\rm total}$, de que la antena debe tener una altura $$ h_2 = \sqrt{(kR)^2+(d_{\rm total}-d_{\rm horizonte})^2} - kR $$ Conectar los números en el vídeo ($d_{\rm total} = 14.24~{\rm km}$) encontramos que la segunda antena debe ser de al menos 4.97 m por encima del agua para tener línea de vista para las ondas de radio. Es difícil decir en el video, pero esto podría ser un poco demasiado alto, de modo que necesitan algo más que simple línea de visión.

Difracción

Las ondas electromagnéticas se difractan a medida que pasan cerca de los objetos. Este fenómeno hace que el ondas a la esencia de doblarse alrededor de las esquinas por una cierta cantidad por lo que no es realmente necesario tener línea de vista a los EM de la fuente con el fin de recibir una señal de esa fuente. El efecto de la difracción en este caso es probablemente el mejor capturado por la estimación de la fuerza relativa de la difracción de la señal en comparación con la fuerza que tendría si hay línea de vista. Suponiendo que en realidad está fuera de la línea de vista, podemos usar los nomogramas en esta publicación¹ para la estimación de la atenuación. La atenuación es muy dependiente de la frecuencia y la altura de el transmisor y el receptor, pero el uso de una frecuencia de 5.8 GHz (como se indica en los comentarios en el post original), $k=4/3$ como en el anterior, y suponiendo que las alturas de las antenas de alrededor de 2-4 m de altura sobre el agua da algún lugar alrededor de 25-30 dB de atenuación. Si bien este es un gran factor de atenuación, sin duda, es creíble que la transmisión podría todavía ser recibido. Es el equivalente a mover las antenas de alrededor de 14.24 km de distancia (si es que tenía la línea de visión) a 250 km de distancia. Después de todo, la comunicación por satélite los satélites y los transmisores están normalmente en órbita geoestacionaria a unos 36.000 km de altura.

Conclusiones

Este es un complicado problema de propagación de radio que es imposible para el modelo completo sin necesidad de conocer los niveles de potencia de transmisión, transmisión y recepción de la ganancia de la antena patrones de ruido del receptor características, propiedades de las ondas, y el procesamiento de la señal detalles. Parece que el plato es probable (sólo) fuera de la línea de vista de la transmisión plato, incluso cuando la refracción es considerado. Sin embargo, la combinación de refracción y difracción significa que una cierta cantidad de la señal de transmisión se alcance el receptor. La atenuación debido a la falta de línea de visión es grande, pero aún es posible que el receptor recibe el poder suficiente para detectar la transmisión de todos modos.

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[1] "la Propagación por Difracción, la" Unión Internacional de Telecomunicaciones, Recomendación UIT-R PN.526-7, 2001.