Fisica dell’alta atmosfera

Che cos’è l’atmosfera?

L’atmosfera è lo strato gassoso che circonda il nostro pianeta ritenuto dal campo gravitazionale terrestre. Nella letteratura scientifica l’atmosfera viene convenzionalmente suddivisa in regioni o “sfere” individuate dalle variazioni dell’andamento della temperatura con la quota. La bassa atmosfera include la troposfera (≈0-15 km), la regione in cui risiedono la maggior parte dei fenomeni meteorologici. Per media atmosfera si intende la stratosfera (≈15-50 km), la porzione atmosferica in cui si trova la massima concentrazione di ozono, e la mesosfera (≈50-85 km), la regione più studiata per la comprensione degli effetti del cambiamento climatico. L’alta atmosfera include la termosfera (≈85-600 km) e l’esosfera (>600 km).

Che cos’è la ionizzazione?

Processo in virtù del quale un atomo o un gruppo atomico acquistano una carica elettrica passando dalla neutralità allo stato di ione, positivo o negativo.

Che cos’è la ionosfera?

La ionosfera si estende dalla media all’alta atmosfera, tra circa 50 e 1000 km sopra la superficie terrestre. La presenza nell’alta atmosfera terrestre di elettroni e ioni liberi è dovuta principalmente al fatto che i gas che la costituiscono sono continuamente sottoposti all’azione ionizzante della radiazione solare UV e X. Oltre all’azione ionizzante del Sole, che fornisce il massimo contributo, bisogna considerare anche i raggi cosmici che, seppur in minima parte, sono causa anche loro della presenza di elettroni e ioni liberi nell’atmosfera. Alle alte latitudini, inoltre, il continuo afflusso di particelle cariche di origine prevalentemente solare costituisce un’altra sorgente di ionizzazione. La ionosfera viene descritta dall’andamento della densità elettronica, che varia mediamente tra 107 e 1012 e/m3, in funzione dell’altezza e individua le regioni D, E, F.

ionosfera
Tipico profilo di densità elettronica notturno e diurno che caratterizza la ionosfera

Che cos’è la regione D?

La parte più bassa della ionosfera costituisce la regione D (50÷90 km). In condizioni di quiete questa regione è presente solo di giorno, mentre, in concomitanza di flussi di elettroni e protoni ad alta energia provenienti dal Sole associabili a disturbi di natura geomagnetica, addizionali strati D di ionizzazione possono essere prodotti in qualsiasi momento del giorno e della notte.

Che cos’è la regione E?

La regione E (90÷140 km), che caratterizza principalmente la ionosfera diurna, è solitamente costituita da un solo massimo di densità elettronica, lo strato E, a circa 120 km e, come la regione D, è caratterizzata da una prevalenza di ioni pesanti (O2+, NO+) su ioni leggeri. Come lo strato D anche lo strato E segue un tipico andamento diurno con un massimo in corrispondenza del mezzogiorno locale.

Che cos’è la regione F?

In essa si raggiungono le massime concentrazioni di densità elettronica. La parte più bassa di questa regione, in cui prevalgono ioni leggeri (essenzialmente O+ e H+), mostra una variazione differente rispetto alla parte superiore; ciò ha portato ad una suddivisione della regione in due strati: lo strato F1, essenzialmente uno strato diurno estivo, e lo strato F2, che di notte comunque si fondono in un unico strato F. Oltre il massimo dello strato F2 la densità elettronica inizia a decrescere monotonamente e la ionosfera superiore va lentamente sfumando nella sovrastante magnetosfera.

Come varia la ionosfera?

La ionosfera varia nello spazio nel tempo perché varia la concentrazione degli elettroni liberi. Le cosiddette variazioni regolari sono ascrivibili all’ora del giorno, alla stagione, alla latitudine e al ciclo solare. Le variazioni irregolari sono quelle conseguenti alle variazioni del campo geomagnetico ad opera di perturbazioni solari, oppure quelle legate a variazioni dell’atmosfera neutra in cui la ionosfera risiede.

 Cosa si intende con comunicazione per via ionosferica?

Nella ionosfera la densità di elettroni e ioni liberi raggiunge valori tali da influenzare l’indice di rifrazione delle onde elettromagnetiche. Le onde elettromagnetiche HF (High Frequency: 3-30 MHz) vengono riflesse dalla ionosfera permettendo la comunicazione tra una coppia di stazioni (trasmittente-ricevente) poste a grande distanza.

Cos’è un sondaggio ionosferico?

Il sondaggio ionosferico si effettua utilizzando un sistema radar in banda HF usualmente detto ionosonda. Il trasmettitore (TX) emette brevi impulsi di energia a radiofrequenza verso la ionosfera che li riflette; il ricevitore (RX) registra il ritardo temporale tra la trasmissione e la ricezione degli impulsi.

ionosonda
Sondaggio ionosferico verticale

Variando la frequenza della portante degli impulsi viene registrato il tempo di ritardo a diverse frequenze. Tale registrazione, di solito presentata sotto forma di grafico, è detta ionogramma. Dall’analisi di uno ionogramma è possibile ricavare informazioni su numerosi parametri ionosferici che rivestono un ruolo importante sia per studi di fisica ionosferica, sia per scopi di radio comunicazione.

ionogramma
Alcuni parametri ionosferici ricavabili dallo ionogramma verticale

Che cosa è il GPS?

ll sistema GPS (Global Positioning System) è un sistema di radio posizionamento satellitare basato su una costellazione di 24 satelliti posti in orbita intorno alla Terra a circa 20200 km di quota.
Questo sistema è stato sviluppato dal Ministero della Difesa degli Stati Uniti (United States Department of Defense) per applicazioni militari. Il sistema GPS ha trovato in seguito vastissima applicazione tra gli utenti non militari e per scopi di ricerca scientifica. Più recentemente si sono aggiunti sistemi di posizionamento satellitare aggiuntivi, quali GLONASS (Russia’s Global’naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema), il sistema cinese BeiDou Navigation Satellite System e il nascente sistema europeo Galileo. Questi sistemi vengono complessivamente identificati come GNSS (Global Navigation Satellite System).

Perché la ionosfera disturba i sistemi GNSS?

Nel loro viaggio tra il trasmettitore a bordo dei satelliti GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, ecc.) e il ricevitore a terra i segnali subiscono due effetti dovuti all’esistenza della ionosfera: un ritardo nella propagazione ed effetti rifrattivi e diffrattivi sull’ampiezza e sulla fase del segnale ricevuto. Il primo effetto, che si presenta, in qualsiasi condizione, è dovuto all’interazione tra i segnali emessi in banda L (1-2 GHz) e la presenza di elettroni liberi. Il secondo effetto, tipico dei periodi disturbati, è noto come scintillazione ionosferica, ed è dovuto ad una distribuzione disomogenea degli elettroni liberi in ionosfera. Entrambi gli effetti contribuiscono all’errore che viene attribuito al posizionamento satellitare. In caso di scintillazione di forte intensità si possono verificare delle interruzioni di ricezione, con conseguente perdita del servizio di posizionamento. In condizioni quiete l’errore medio sul posizionamento che tipicamente viene associato alla ionosfera è dell’ordine di alcuni metri.

galileo
La costellazione Galileo

Perché si usano i segnali GNSS per studiare la ionosfera?

L’interazione tra i segnali GNSS e la ionosfera modifica la propagazione dei segnali stessi. Per questo motivo ciò che il ricevitore GNSS posto a terra riceve è un informazione che mantiene memoria del passaggio del segnale in ionosfera. Tramite opportune elaborazioni dei segnali acquisiti dai ricevitori GNSS, quindi, è possibile estrarre alcune importanti informazioni sulla ionosfera.

gnss
Rappresentazione del ritardo e delle scintillazioni indotti sui segnali GNSS dalla ionosfera

Che cos’è lo Space Weather?

Il termine meteorologia spaziale (dall’inglese “Space Weather”) è utilizzato per identificare quella disciplina scientifica che si occupa della comprensione e della possibile previsione dei diversi processi che avvengono sul Sole, nel vento solare, nella magnetosfera terrestre, nella ionosfera e nella termosfera e che possono influenzare il funzionamento e l’affidabilità di sistemi tecnologici nello spazio o a terra e che possono risultare pericolosi per la salute degli esseri umani.

Annunci