Ionosfera

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L'intera atmosfera terrestre, con le sue suddivisioni, i fenomeni più tipici e le tecnologie umane (ingrandire).
Ionosfera, immagini Nasa

La ionosfera è quella fascia dell'atmosfera nella quale le radiazioni del Sole, e in misura molto minore i raggi cosmici provenienti dallo spazio, provocano la ionizzazione dei gas componenti. La ionosfera si estende fra i 60 e i 450 km di altitudine e dunque appartiene parzialmente sia alla mesosfera che alla termosfera. Può essere ulteriormente divisa in strati evidenziandone le diverse proprietà elettriche, dovute alle variazioni di composizione e dell'intensità di radiazione solare ricevuta.

La ionosfera è estremamente rarefatta: pur essendo spessa centinaia di kilometri, essa contiene solamente l'1% circa della massa gassosa atmosferica complessiva. La temperatura diurna varia dai 200 K degli strati più interni ai 1500 K degli strati più esterni, maggiormente esposti al Sole. La presenza dell'illuminazione solare esercita una grande influenza sulle proprietà dei gas ionosferici, che dunque cambiano sensibilmente tra il giorno e la notte. Anche il ciclo molto più lungo dell'attività solare ha effetti sensibili sulla ionosfera.

La ionosfera svolge un ruolo importante in alcune applicazioni radio; un'onda a radiofrequenza incidente su uno strato ionizzato può essere totalmente riflessa sotto opportune condizioni, al contrario di quanto accade nell'atmosfera non ionizzata (il cui indice di rifrazione presenta variazioni generalmente troppo piccole per produrre la riflessione totale di un'onda). Di conseguenza, è possibile utilizzare un modello di propagazione basato su riflessioni multiple fra la superficie terrestre e la ionosfera. Questo tipo di propagazione è abbastanza efficiente per frequenze inferiori ai 30 MHz, le cosiddette onde corte, tipicamente utilizzate dalle trasmissioni radioamatoriali.

Storia[modifica | modifica sorgente]

Strati della Ionosfera[modifica | modifica sorgente]

Strati della Ionosfera. Di notte sono presenti gli strati E e F. Durante il giorno si forma lo strato D, e gli strati E e F divengono molto più forti. Spesso durante il giorno lo strato F si differenzia in F1 e F2.

Strato D[modifica | modifica sorgente]

È lo strato più interno, si estende fra i 60 e i 90 km di altitudine. Il gas ionizzato è principalmente l'ossido di azoto (NO). Gli ioni e gli elettroni si ricombinano velocemente e pertanto l'effetto netto della ionizzazione è piuttosto basso, di giorno insufficiente a supportare la propagazione oltre i 3 MHz, e di notte praticamente nullo. In condizione di quiete questo strato è presente solo di giorno.

Strato E[modifica | modifica sorgente]

Si estende fra i 90 e i 130 km di altitudine. Il gas ionizzato è l'ossigeno molecolare (O2). La velocità di ricombinazione è minore rispetto allo strato D, e di notte permane una debole ionizzazione. Lo strato E può essere sfruttato per le trasmissioni fino ai 10 MHz. In condizioni di quiete, è possibile avere un residuo di ionizzazione durante le ore notturne.

Strato Es[modifica | modifica sorgente]

È uno strato sporadico, che compare talvolta alla quota di 100 km, per brevi intervalli di tempo (da pochi minuti a qualche ora). È caratterizzato da nubi elettroniche di forma lamellare e piccolo spessore (2 km circa), fortemente ionizzate, in grado di supportare la propagazione fino a 20 MHz. Attualmente si stanno studiando diverse cause che potrebbero concorrere alla formazione dello strato Es; per esempio, il calore prodotto dalla disintegrazione di sciami meteorici che entrano nell'atmosfera può creare delle scie di intensa ionizzazione, interpretabili come strati Es.

Strato F[modifica | modifica sorgente]

Si estende fra i 130 e i 450 km di altitudine. Il gas ionizzato è l'ossigeno atomico (O). Di giorno lo strato F si divide in due ulteriori sottostrati, F1 (interno) ed F2 (esterno), nei quali la ionizzazione assume proprietà differenti. Lo strato F1 si estende fino a ~240 km e contiene principalmente ioni NO+, nello strato F2, che si estende oltre i ~240 km, sono presenti soprattutto ioni O+. La regione F è la più importante dal punto di vista delle comunicazioni HF perché in essa si raggiungono le massime concentrazioni di densità elettronica, essendo la più spessa e la più riflettiva.

Applicazioni Radio[modifica | modifica sorgente]

Un'onda radio che raggiunge la ionosfera forza gli elettroni liberi ad oscillare alla stessa frequenza del suo campo elettrico. Se l'energia di oscillazione non viene persa per ricombinazione (cioè se la frequenza di ricombinazione è minore della frequenza dell'onda), gli elettroni cesseranno di oscillare reirradiando l'onda verso terra. Maggiore è la frequenza dell'onda incidente, maggiore sarà il numero di cariche libere necessarie per reirradiare l'onda. Nel caso non ci siano abbastanza cariche pronte ad oscillare, la riflessione totale (e quindi la propagazione ionosferica) non può avvenire.

Trattazione matematica[modifica | modifica sorgente]

Per riflettere un'onda che si propaga verso la ionosfera con un generico angolo di elevazione ψ, è necessario uno strato con indice di rifrazione n tale che (legge di Snell):

\cos{\psi} > n

L'indice di rifrazione n visto da un'onda a frequenza f che si propaga in un gas ionizzato dipende dal numero di cariche per unità di volume N secondo la relazione:

n = \sqrt{1-\frac{Ne^2}{4\pi^{2} f^{2} m\epsilon_0}}

dove m è la massa delle'elettrone, e è la carica dell'elettrone, ed ε0 è la costante dielettrica del vuoto. La relazione precedente può essere scritta come:

n = \sqrt{1-\left( \frac{f_c}{f}\right)^2}

da cui si ottiene l'angolo ψ massimo per cui avviene la riflessione totale:

\psi < \arccos{\sqrt{1-\left( \frac{f_c}{f}\right)^2}}

dove fc è detta frequenza critica e vale circa:

f_c \simeq 9 \sqrt{N}

La frequenza critica è quindi proporzionale a √N; in ultima analisi, essa divide il dominio delle frequenze in due parti:

  • per frequenze inferiori alla frequenza critica si ha incondizionata riflessione, qualunque sia l'angolo di incidenza; n infatti si annulla.
  • per frequenze superiori alla frequenza critica, la riflessione avviene solamente sotto un certo angolo di incidenza (che dipende dalla frequenza).

È importante notare che l'angolo di incidenza è limitato inferiormente dalla curvatura terrestre; anche utilizzando un'antenna ad un angolo di elevazione bassissimo, non è possibile ridurre l'angolo di incidenza sotto un certo valore; pertanto, la propagazione ionosferica non ha mai luogo a frequenze maggiori di 3 - 3,5 volte la frequenza critica. Per lo strato F2, che è quello maggiormente ionizzato, questo valore-limite (MUF, maximum usable frequency) vale circa 30 MHz.

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]