La propagation des ondes radio dans l'atmosphère terrestre dépend fortement de la fréquence considérée. Les ondes kilométriques et hectométriques, que l'on appelle ondes longues et ondes moyennes, suivent la courbure de la Terre grâce au phénomène de diffraction et à la réflexion sur les couches ionisées de la haute atmosphère, en particulier la nuit, ce qui permet des portées de plusieurs centaines voire milliers de kilomètres. Les ondes décamétriques, ou ondes courtes, sont renvoyées vers le sol par l'ionosphère et peuvent ainsi rebondir plusieurs fois entre la Terre et cette couche, autorisant des liaisons intercontinentales sans relais artificiel. En revanche, les fréquences plus élevées, comme celles de la bande FM, de la télévision, des liaisons par satellite ou des réseaux mobiles, se propagent essentiellement en ligne droite, comme la lumière, et leur portée est limitée par l'horizon optique ou par les obstacles naturels et artificiels.

D'un point de vue technique, le rayonnement radio est généré en appliquant à une antenne un signal électrique oscillant à la fréquence souhaitée; l'antenne convertit ce courant en champ électromagnétique qui se détache et se propage dans l'espace. La puissance émise, la directivité de l'antenne, la polarisation de l'onde et la modulation du signal, qu'elle soit d'amplitude, de fréquence, de phase ou numérique, déterminent la qualité, la portée et la capacité d'information de la liaison. La réception fonctionne selon le principe inverse : l'onde radio induit dans l'antenne réceptrice un courant très faible qui est amplifié puis démodulé pour restituer l'information transportée, qu'il s'agisse de voix, de musique, de données informatiques ou d'images.

Les applications du rayonnement radio sont immenses et structurantes pour les sociétés contemporaines. La radiodiffusion sonore et télévisuelle en a été l'usage historique grand public, mais aujourd'hui les télécommunications mobiles, les réseaux Wi-Fi et Bluetooth, la géolocalisation par satellites, les radars météorologiques ou de contrôle aérien, les liaisons avec les engins spatiaux, les systèmes de secours, la radioastronomie qui écoute le rayonnement naturel des astres, et d'innombrables dispositifs industriels, médicaux ou domestiques reposent sur ces ondes. La gestion du spectre radioélectrique, ressource naturelle limitée et partagée, fait l'objet d'une réglementation internationale stricte afin d'éviter les interférences entre services et d'assurer une utilisation coordonnée des fréquences, chaque bande étant attribuée à des usages précis selon ses propriétés de propagation et la technologie disponible. La compréhension fine du rayonnement radio demeure ainsi au cœur des systèmes de communication modernes, tout en restant un champ actif de recherche pour améliorer l'efficacité spectrale, réduire la consommation énergétique et étendre la couverture des réseaux.

Les division du domaine radio.
Il n'existe  pas de frontière universellement admise entre les différentes subdivisions du domaine radio : les limites varient légèrement selon les organismes, les disciplines et les usages techniques. La relation fondamentale entre longueur d'onde λ et fréquence ν est donnée par λ = c/ν, où c est la vitesse de propagation de la lumière dans le vide, environ 3 × 10⁸ m.s^-1. Ainsi, plus la longueur d'onde augmente, plus la fréquence diminue.

Divivisions adoptées dans les radiocommunications.
Le domaine radio commence généralement vers 300 GHz, correspondant à une longueur d'onde d'environ 1 mm, et descend jusqu'à des fréquences extrêmement faibles, pouvant être inférieures au hertz. Dans les classifications radiotechniques, on distingue notamment les bandes ELF, SLF, ULF, VLF, LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF et EHF. Ces appellations sont fondées principalement sur des intervalles de fréquence et sont utilisées en radiocommunications, en physique de l'atmosphère, en géophysique, en radioastronomie et dans les technologies radar.

• Les ondes ELF (Extremely Low Frequency, extrêmement basses fréquences) correspondent approximativement aux fréquences comprises entre 3 et 30 Hz, soit des longueurs d'onde allant de 100 000 à 10 000 km. Elles sont donc extrêmement longues par rapport aux dimensions des systèmes de communication classiques. Les phénomènes naturels associés aux ELF comprennent notamment certaines oscillations électromagnétiques de la magnétosphère terrestre et des phénomènes liés aux interactions entre la Terre et son environnement spatial. Les fréquences de quelques hertz sont également importantes pour l'étude des phénomènes géophysiques et des fluctuations du champ magnétique terrestre.

• Les ondes SLF (Super Low Frequency, très basses fréquences) se situent approximativement entre 30 et 300 Hz, avec des longueurs d'onde comprises entre 10 000 et 1000 km. Cette partie du spectre est particulièrement intéressante pour l'étude des phénomènes électromagnétiques terrestres à très grande échelle. Les variations du champ magnétique et certains phénomènes atmosphériques produisent des signaux dans ces gammes. La propagation des ondes de ces très basses fréquences est fortement liée aux propriétés électriques de la Terre et de l'ionosphère.

• Les ondes ULF (Ultra Low Frequency, ultra-basses fréquences) occupent approximativement la bande 300 Hz–3 kHz, correspondant à des longueurs d'onde comprises entre 1000 et 100 km. Elles jouent un rôle important en géophysique et en physique spatiale. Les interactions entre le vent solaire, la magnétosphère et le champ magnétique terrestre génèrent notamment des oscillations dans les gammes ULF. L'analyse de ces signaux permet d'étudier la dynamique de la magnétosphère et les processus associés aux particules chargées piégées dans l'environnement terrestre.

• Les ondes VLF (Very Low Frequency, très basses fréquences) s'étendent approximativement de 3 à 30 kHz, avec des longueurs d'onde comprises entre 100 et 10 km. Cette gamme possède des propriétés de propagation remarquables : les ondes peuvent se propager sur de très grandes distances entre la surface terrestre et l'ionosphère, qui constituent approximativement un guide d'onde naturel. Les VLF ont historiquement été utilisées pour certaines communications à très longue distance, notamment avec des installations navales. Elles sont également employées en géophysique et en physique de l'ionosphère, car les signaux VLF peuvent être influencés par les propriétés de la haute atmosphère.

• Les ondes LF (Low Frequency, basses fréquences) occupent approximativement la bande 30-300 kHz, soit des longueurs d'onde comprises entre 10 km et 1 km. Elles se propagent relativement bien au-delà de l'horizon grâce aux ondes de sol, dont la propagation dépend fortement de la conductivité électrique du terrain. Cette bande a été utilisée pour la radiodiffusion à grande portée, les radiophares et divers systèmes de radionavigation. Elle conserve également un intérêt pour certains dispositifs de synchronisation et de transmission de signaux.

• Les ondes MF (Medium Frequency, moyennes fréquences) correspondent approximativement à 300 kHz–3 MHz, avec des longueurs d'onde comprises entre 1 km et 100 m. Cette gamme contient notamment la bande traditionnellement utilisée par la radiodiffusion en ondes moyennes, souvent appelée bande AM. La propagation des ondes MF dépend à la fois de la propagation au sol et, particulièrement la nuit, de la propagation ionosphérique. Après le coucher du Soleil, certaines couches ionosphériques deviennent moins absorbantes, ce qui permet à des émissions provenant de régions très éloignées d'être reçues.

• Les ondes HF (High Frequency, hautes fréquences), ou ondes décamétriques, s'étendent approximativement de 3 à 30 MHz, ce qui correspond à des longueurs d'onde de 100 à 10 m. Elles occupent une place majeure dans les radiocommunications à longue distance. Leur particularité est de pouvoir être réfléchies ou réfractées par l'ionosphère dans certaines conditions, permettant ainsi des communications au-delà de l'horizon sans nécessiter de relais intermédiaires. Les HF sont utilisées notamment pour certaines communications aéronautiques, maritimes, militaires, radioamateurs et pour la radiodiffusion internationale.

La propagation ionosphérique des HF dépend fortement de l'activité solaire, de l'heure, de la saison, de la latitude géomagnétique et de la fréquence utilisée. L'ionosphère n'agit pas comme un miroir parfaitement réfléchissant : le phénomène résulte principalement de la réfraction progressive des ondes dans un milieu dont la densité électronique varie avec l'altitude. La propagation HF constitue ainsi un domaine d'étude important reliant physique des plasmas, météorologie spatiale et radiocommunications.

• Les ondes VHF (Very High Frequency, très hautes fréquences) correspondent approximativement à 30-300 MHz, soit des longueurs d'onde comprises entre 10 m et 1 m. Elles sont largement utilisées dans les radiocommunications terrestres. Elles comprennent notamment une partie des bandes de radiodiffusion FM et certaines fréquences utilisées pour les communications aéronautiques, maritimes et terrestres. Contrairement aux HF, les VHF se propagent généralement de façon plus proche de la ligne de visée, même si la réfraction atmosphérique peut étendre leur portée au-delà de l'horizon géométrique.

• Les ondes UHF (Ultra High Frequency, ultra-hautes fréquences) s'étendent approximativement de 300 MHz à 3 GHz, avec des longueurs d'onde comprises entre 1 m et 10 cm. Cette gamme possède une importance technologique considérable. Elle est utilisée par de nombreux systèmes de télécommunication, de radiolocalisation et de transmission de données. Une partie des communications mobiles, de certains systèmes de navigation par satellite, de la télévision et de nombreux réseaux sans fil se situe dans ou autour de cette gamme, selon les bandes réglementaires concernées. Les UHF sont davantage sensibles aux obstacles et aux phénomènes d'atténuation que les fréquences plus basses, mais elles permettent l'utilisation d'antennes relativement compactes et offrent des bandes passantes importantes.

• Les ondes SHF (Super High Frequency, super-hautes fréquences) occupent approximativement la bande 3-30 GHz, correspondant à des longueurs d'onde de 10 cm à 1 cm. Cette partie du spectre comprend une grande variété d'applications radar, de télécommunications et de communications satellitaires. Les radars météorologiques utilisent notamment des fréquences appartenant à cette région, tout comme certains radars aéronautiques et certains systèmes de télédétection. Les SHF permettent d'obtenir des faisceaux relativement directifs avec des antennes de dimensions raisonnables, ce qui explique leur importance pour les systèmes radar et les communications point à point.

À mesure que la fréquence augmente dans le domaine SHF, certains phénomènes atmosphériques deviennent plus importants. L'absorption par les gaz atmosphériques, notamment par la vapeur d'eau et l'oxygène moléculaire, peut produire des fenêtres et des bandes d'absorption particulières. Les précipitations peuvent également provoquer une atténuation importante des signaux. Ces propriétés sont exploitées en météorologie et en télédétection, mais elles constituent aussi des contraintes pour les télécommunications.

• Les ondes EHF (Extremely High Frequency, extrêmement hautes fréquences) s'étendent approximativement de 30 à 300 GHz, avec des longueurs d'onde allant de 10 mm à 1 mm. Cette région constitue la limite supérieure conventionnelle du domaine radio dans de nombreuses classifications et confond au domaine des micro-ondes millimétriques. Elle est utilisée dans certains radars spécialisés, certaines applications de télédétection, les communications à très haut débit et des systèmes scientifiques. Les phénomènes d'absorption atmosphérique deviennent particulièrement importants, notamment autour de certaines fréquences associées à l'oxygène et à la vapeur d'eau.

• Les ondes kilométriques, dont les longueurs d'onde sont de l'ordre du kilomètre ou davantage, correspondent aux fréquences relativement faibles et présentent une excellente capacité de diffraction autour des obstacles et de propagation au voisinage de la surface terrestre. Les ondes hectométriques, de l'ordre de plusieurs centaines de mètres, sont caractéristiques notamment de la radiodiffusion en ondes moyennes.

• Les ondes décamétriques, dont les longueurs d'onde sont comprises approximativement entre 10 et 100 m, correspondent principalement aux fréquences HF. Elles sont particulièrement importantes pour les communications ionosphériques. Les ondes métriques, comprises approximativement entre 1 et 10 m, correspondent principalement aux VHF. Les ondes décimétriques, comprises entre environ 10 cm et 1 m, correspondent largement aux UHF. 

• Les ondes centimétriques, comprises entre environ 1 et 10 cm, appartiennent surtout aux SHF et sont fondamentales pour les radars, les liaisons hertziennes et certaines communications satellitaires. 

• Les ondes millimétriques, dont les longueurs d'onde sont inférieures à environ 1 cm, correspondent principalement à la partie supérieure des SHF et aux EHF.

Le domaine des micro-ondes.
Le terme micro-ondes ne constitue pas exactement une subdivision indépendante du spectre électromagnétique. Il désigne plutôt une vaste région du domaine radio située approximativement, selon les conventions, entre  300 mégahertz et 300 gigahertz, ce qui correspond à des longueurs d'onde allant d'un mètre à un millimètre. Il se situe dans le spectre électromagnétique juste après les ondes radio de basse fréquence et avant le rayonnement infrarouge. Les micro-ondes comprennent donc une partie des UHF, la totalité des SHF et la totalité ou une grande partie des EHF. 

Contrairement aux rayons X ou aux rayons gamma, les micro-ondes appartiennent à la catégorie des rayonnements non ionisants, ce qui signifie qu'elles ne transportent pas assez d'énergie par photon pour arracher des électrons aux atomes ou aux molécules, et ne peuvent donc pas altérer directement la structure de l'ADN par ionisation.

L'interaction de ces ondes avec la matière repose principalement sur un phénomène appelé chauffage diélectrique. Lorsqu'elles traversent un matériau contenant des molécules polaires, comme l'eau, les graisses ou certains sucres, les micro-ondes forcent ces molécules à s'aligner continuellement sur leur champ électrique qui alterne à très haute fréquence. Cette rotation extrêmement rapide génère des frictions moléculaires qui se traduisent par une production de chaleur. C'est ce principe précis qui est exploité dans les fours domestiques pour réchauffer les aliments en excitant les molécules d'eau qu'ils contiennent, permettant une chauffe rapide.

Au-delà des usages culinaires, les micro-ondes jouent un rôle absolument fondamental dans les technologies modernes de communication. Leurs longueurs d'onde relativement courtes leur permettent de transporter de grandes quantités d'informations (large bande passante) et de se propager de manière très directionnelle, ce qui les rend idéales pour les réseaux de téléphonie mobile, les connexions Wi-Fi, le Bluetooth, la navigation par GPS ainsi que pour les transmissions par satellite. Elles traversent relativement bien l'atmosphère, bien qu'elles puissent être absorbées ou réfléchies par de fortes précipitations.

Elles sont également au coeur du fonctionnement des systèmes radar. En émettant de brèves impulsions de micro-ondes et en mesurant le temps que met l'écho à revenir après avoir rebondi sur un obstacle, les radars peuvent déterminer avec précision la distance, la vitesse et la trajectoire d'objets tels que des avions, des navires, les automobiles ou les formations nuageuses. En astronomie, l'étude de ces ondes a par ailleurs révolutionné notre compréhension de l'univers. Le fond diffus cosmologique, qui est la lumière fossile émise peu après le big bang, nous parvient aujourd'hui principalement sous forme de rayonnement micro-ondes en raison de l'expansion continue de l'espace (décalage vers le rouge), offrant aux astrophysiciens une image de l'univers primordial.

En ce qui concerne la santé humaine et la sécurité, l'exposition au rayonnement micro-ondes fait l'objet de normes strictes. Puisqu'il s'agit d'un rayonnement non ionisant, le principal risque biologique reconnu et prouvé aux niveaux d'exposition élevés est d'ordre purement thermique : une absorption excessive d'énergie peut provoquer un échauffement profond des tissus corporels, entraînant des brûlures internes ou, dans le cas d'organes peu vascularisés et incapables de dissiper la chaleur comme le cristallin de l'œil, la formation de cataractes. Cependant, aux niveaux de puissance extrêmement faibles émis par les appareils du quotidien, les autorités sanitaires internationales considèrent que les preuves scientifiques actuelles ne démontrent pas d'effets nocifs avérés sur la santé, bien que la recherche continue de surveiller les effets d'une exposition environnementale chronique à long terme.

La radioastronomie.
La radioastronomie est une branche de l'astronomie qui étudie les objets célestes et les phénomènes cosmiques en captant les ondes radio qu'ils émettent naturellement, plutôt que la lumière visible ou d'autres formes de rayonnement électromagnétique de plus haute énergie. Cette discipline est née dans les années 1930, presque par accident, lorsque l'ingénieur Karl Jansky cherchait à identifier des sources de parasites affectant les liaisons radio transatlantiques et découvrit un signal radio provenant du centre de notre galaxie, la Voie lactée. Depuis cette découverte fondatrice, la radioastronomie s'est considérablement développée et a profondément transformé notre compréhension de l'Univers, en révélant une face invisible du cosmos peuplée d'objets et de processus qui n'émettent que très peu ou pas du tout de lumière visible.

Les ondes radio captées par les radioastronomes sont produites par des mécanismes physiques très variés, souvent liés à des particules chargées en mouvement dans des champs magnétiques ou à des gaz ionisés. Le rayonnement synchrotron, par exemple, est émis par des électrons se déplaçant à des vitesses proches de celle de la lumière dans des champs magnétiques intenses, comme ceux qui règnent autour des restes de supernovae, des pulsars ou des noyaux actifs de galaxies. Le rayonnement thermique, quant à lui, provient de la chaleur des nuages de gaz et de poussières, tandis que des émissions spectrales très fines permettent de détecter la présence de molécules spécifiques dans l'espace, comme l'hydrogène neutre, le monoxyde de carbone, l'eau ou l'ammoniac, chacune émettant à des fréquences radio caractéristiques. Certaines longueurs d'onde correspondent à des transitions énergétiques extrêmement précises, ce qui permet de mesurer avec une grande exactitude la vitesse des objets célestes par effet Doppler et de cartographier la structure et la dynamique des galaxies.

Les objets célestes produisent des émissions radio par des mécanismes thermiques et non thermiques. Le rayonnement synchrotron émis par des électrons relativistes, les émissions des pulsars, les jets des noyaux actifs de galaxies, les émissions radio des planètes magnétisées, ainsi que certaines raies spectrales atomiques et moléculaires sont étudiés dans différentes régions du domaine radio. La célèbre raie de l'hydrogène neutre à 21 cm, correspondant à une fréquence d'environ 1420 MHz, appartient ainsi à la bande UHF et constitue un outil essentiel pour cartographier la distribution de l'hydrogène atomique dans les galaxies.

La radioastronomie montre également l'importance des fenêtres de transmission atmosphérique. Alors que certaines fréquences radio traversent relativement facilement l'atmosphère terrestre, d'autres sont fortement absorbées par les molécules atmosphériques ou perturbées par l'ionosphère. Les astronomes construisent donc des radiotélescopes et des interféromètres adaptés à différentes bandes de fréquence. Les observations à très basse fréquence sont particulièrement sensibles à l'ionosphère, tandis que les observations millimétriques et submillimétriques sont davantage affectées par la vapeur d'eau atmosphérique.

L'un des objets emblématiques de la radioastronomie est le pulsar, une étoile à neutrons en rotation rapide qui émet des faisceaux de rayonnement radio balayant l'espace à la manière d'un phare cosmique. Découverts en 1967 par Jocelyn Bell Burnell et Antony Hewish, les pulsars ont fourni la première preuve observationnelle directe de l'existence des étoiles à neutrons, vestiges ultradenses laissés par l'effondrement d'étoiles massives. La mesure extrêmement régulière de leurs impulsions a permis de tester la relativité générale, de sonder la matière dans des conditions de densité inaccessibles sur Terre et même de détecter indirectement des ondes gravitationnelles dans des systèmes binaires. Un autre apport majeur de la radioastronomie a été la découverte du fond diffus cosmologique, un rayonnement radio très faible et très uniforme qui baigne tout l'Univers et constitue la trace fossile de la chaleur du Big Bang. Cette observation, réalisée en 1965 par Arno Penzias et Robert Wilson, a apporté une confirmation décisive au modèle cosmologique de l'expansion de l'Univers et a valu à ses auteurs le prix Nobel.

Les galaxies et les quasars ont également révélé une grande partie de leur nature grâce aux ondes radio. De nombreuses galaxies spirales possèdent un disque riche en hydrogène neutre qui s'étend bien au-delà de leur partie visible, et la cartographie de cette émission permet de mesurer leur rotation et de mettre en évidence la présence de matière noire. Les radiogalaxies, souvent associées à des trous noirs supermassifs au centre des galaxies, présentent des jets de plasma s'étendant sur des millions d'années-lumière et des lobes radio gigantesques où des particules sont accélérées à des énergies extrêmes. Les quasars, parmi les objets les plus lumineux de l'Univers, ont été identifiés et compris en grande partie grâce à leurs émissions radio intenses, révélant l'activité de trous noirs en pleine accrétion de matière à des distances cosmologiques.

Sur le plan technique, les radiotélescopes diffèrent profondément des télescopes optiques. Ils sont constitués de grandes antennes paraboliques, parfois de plusieurs dizaines de mètres de diamètre, qui concentrent les ondes radio vers un récepteur placé au foyer. La sensibilité et la résolution angulaire dépendent de la taille de l'antenne et de la longueur d'onde observée. Comme les ondes radio sont beaucoup plus longues que la lumière visible, une antenne unique aurait besoin de dimensions colossales pour atteindre la résolution d'un télescope optique modeste. Pour contourner cette limite, les radioastronomes utilisent l'interférométrie, qui consiste à combiner les signaux reçus par plusieurs antennes séparées par de grandes distances, parfois des milliers de kilomètres, afin de simuler un instrument unique de la taille de la distance maximale entre les antennes. Des réseaux comme le Very Large Array au Nouveau-Mexique, l'Atacama Large Millimeter Array au Chili, ou le réseau intercontinental du Very Long Baseline Interferometry atteignent ainsi des résolutions angulaires extraordinaires, permettant par exemple d'obtenir l'image du disque d'accrétion autour du trou noir supermassif de la galaxie M87, une prouesse réalisée en 2019.

La radioastronomie est également confrontée à un problème croissant de pollution électromagnétique. Les signaux cosmiques sont extrêmement faibles, et les émissions artificielles produites par les télécommunications, les radars, les satellites, les téléphones portables ou les appareils électriques peuvent facilement les masquer. C'est pourquoi les observatoires radio sont souvent construits dans des régions isolées, parfois protégées par des réglementations nationales ou internationales de silence radio, et pourquoi certaines bandes de fréquences sont réservées exclusivement à la recherche astronomique. La sensibilité des instruments modernes exige également des récepteurs refroidis à des températures proches du zéro absolu afin de réduire le bruit thermique et de détecter des signaux dont la puissance totale reçue depuis des objets lointains est inférieure à celle d'un téléphone portable situé à des milliers de kilomètres.

Les découvertes de la radioastronomie ont profondément modifié la vision de l'Univers. Elle a montré que le cosmos n'est pas un vide silencieux et figé, mais un milieu dynamique traversé de champs magnétiques, de particules accélérées, de nuages moléculaires froids où naissent les étoiles, de résidus d'explosions, de trous noirs actifs et de structures à très grande échelle. Elle a permis de cartographier la Voie lactée, de mesurer sa rotation, de comprendre la formation des étoiles dans les nuages moléculaires, de révéler l'existence de la matière noire, de confirmer l'expansion de l'Univers et d'étudier les objets les plus lointains et les plus anciens jamais observés. Aujourd'hui, des projets d'instruments encore plus sensibles, comme le Square Kilometre Array en cours de construction en Afrique du Sud et en Australie, visent à étendre ces capacités pour sonder l'époque de la réionisation cosmique, cartographier des milliards de galaxies, étudier les sursauts radio rapides et rechercher d'éventuelles signatures d'une activité technologique extraterrestre.