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Struttura
Molecolare
La
ionosfera è quella parte dell'alta atmosfera dove ioni
ed elettroni sono presenti in quantità sufficiente da
modificare la propagazione delle onde radio ad alta
frequenza che la attraversano. In questa zona la
conducibilità elettrica è talmente elevata da
permettere la formazione di un sistema di correnti. Essa
è parte integrante dell'atmosfera neutra, la quale
circonda il nostro pianeta sino a quote alle quali sono
ancora sensibili, sulle particelle dei gas, azioni
gravitazionali ed elettromagnetiche dovute alla Terra
stessa. Il comportamento dell'atmosfera viene
soprattutto influenzato dalla radiazione solare
ultravioletta che viene assorbita dalle varie specie
chimiche presenti e conseguentemente diffusa o riemessa
sotto forma di radiazione infrarossa. Lo scambio
continuo di energia, oltre che di materia, con lo spazio
circostante dà subito modo di definire l'atmosfera come
un sistema aperto. La ionosfera viene prodotta da un
ampio spettro di radiazione solare, nel visibile e nel
non visibile, che dissocia e ionizza la miscela di gas
presente nell'alta atmosfera. A causa della stretta
dipendenza tra l'intensità di radiazione solare e
l'angolo di elevazione del Sole, le proprietà della
ionosfera, specialmente per ciò che riguarda la densità
degli elettroni liberi, mostrano sia variazioni
temporali, che locali. La ionosfera, infatti, evidenzia
variazioni giornaliere e stagionali ed è dominata
dall'influenza dell'attività solare. Essa dipende,
inoltre, dalla latitudine geografica, ed, infine, dal
campo geomagnetico.Accanto alle variazioni suddette,
meglio conosciute come variazioni regolari, vi sono le
cosiddette variazioni irregolari, o disturbi ionosferici.
Le cause a monte di questi disturbi sono molteplici,
senza dubbio però tutte fanno capo all'interazione tra
la ionosfera e le particelle di origine extraterrestre,
prevalentemente solare, che penetrano nell'atmosfera.
L'indagine e lo studio della ionosfera è nato dal
grande interesse suscitato dalle applicazioni
scientifiche e tecnologiche basate sulla riflessione
delle onde radio. Il progresso scientifico ha, poi,
permesso che tale studio potesse essere approfondito
tramite misure effettuate da satelliti e da missili,
oltre che mediante le misure già disponibili da
stazioni poste a terra.massimi di densità elettronica
costituiscono il criterio di separazione tra le diverse
zone in cui viene convenzionalmente suddivisa la
ionosfera. Tali zone individuano le regioni D, E, F. La
ionosfera si estende, approssimativamente, tra i 50 ed i
6370 km (pari ad una distanza circa uguale a quella di
un raggio terrestre) dalla superficie della Terra. A
quote immediatamente superiori si trova la zona
conosciuta come protonosfera o plasmasfera.
Regione D
si estende dai 50 ai
90 Km circa. In essa la densità elettronica è molto
più bassa di quella molecolare, e la frequenza di
collisione tra gli elettroni liberi e le molecole è
relativamente alta ed è, in funzione della pressione
atmosferica, pari a: nm = 8 * 105 p s-1, dove nm è la
frequenza di collisione di elettroni dotati di energia
termica pari a KT, in cui K = 1.38 * 10-23 J K è la
costante di Boltzmann, T è la temperatura e p è la
pressione atmosferica. La composizione dell'atmosfera
nella regione D è, grosso modo, la stessa di quella che
si ha sulla superficie terrestre, anche se, alcuni
costituenti minori, quali NO, O3, O2 giocano un ruolo
importante. All'interno della regione D vi sono due
strati, lo strato D e lo strato C. Il primo viene
prodotto dai raggi solari ultravioletti e dei raggi X,
il secondo da raggi di origine galattica. Nella regione
D tra i 50 e gli 85 km la temperatura della miscela
neutra decresce da 260 K a 180 K. Nella termosfera,
sopra gli 85 Km, la temperatura comincia lentamente a
risalire. I profili di densità elettronica sono
fortemente variabili da un giorno all'altro. Durante un
giorno qualsiasi la concentrazione elettronica segue,
con buona approssimazione, un andamento che va come cosn
, dove 8 e a 109 m-3. Ad alte latitudini, invece,
durante le ore centrali dei giorni invernali, la
densità elettronica sotto i 75 km è talmente bassa da
non poter essere misurata. La composizione ionica della
regione D è piuttosto complicata. Sono, infatti,
presenti sia ioni positivi, che ioni negativi. Questi
ultimi, in particolar modo, assumono un'importanza
particolare durante le ore notturne. Tra gli ioni
positivi, si vogliono citare O2+ e NO+, che attraverso
una serie di reazioni a catena danno luogo ad ulteriori
ioni positivi. Gli ioni negativi sono dominati dalla
presenza di O2- e di NO3-. Uno dei metodi di indagine
della regione D si basa sull'analisi dell'assorbimento
delle radioonde che la attraversano.
Regione E
viene definita come
quella parte dell'atmosfera tra i 90 ed i 140 km di
altezza, anche se questi confini sono piuttosto
arbitrari. Nella regione E la temperatura cresce
rapidamente con la quota, e si passa dall'omosfera, in
cui i gas atmosferici sono essenzialmente mescolati tra
loro, all'eterosfera, in cui i vari costituenti si
separano per diffusione. Sopra gli 80 km vi è
un'apprezzabile dissociazione di ossigeno molecolare O2
in ossigeno atomico O. Il livello in cui vi è un
massimo di concentrazione di O si trova tra gli 85 ed i
100 km. La regione E ha una grande importanza dal punto
di vista geomagnetico, poiché, a queste quote, sono
presenti sistemi di correnti, quali l'elettrogetto
equatoriale e l'elettrogetto aurorale, responsabili di
alcune importanti variazioni geomagnetiche. La regione E
può essere suddivisa in due parti: lo strato E regolare
e l'E sporadico. A sua volta lo strato E regolare può
essere diviso nelle zone E1 ed E2. Lo strato E regolare
segue l'andamento della ionizzazione per
fotoionizzazione solare e, quindi, mostra il suo massimo
di frequenza critica f0E intorno al mezzogiorno locale,
mentre l'E sporadico si manifesta sia di giorno che di
notte. In questa regione la variazione stagionale della
frequenza critica evidenzia valori maggiori durante i
mesi estivi rispetto a quelli che si riscontrano durante
i mesi invernali.Gli ioni positivi che dominano la
regione E sono O2+ e NO+. La produzione dello ione
dell'ossigeno molecolare è dovuta all'assorbimento
della radiazione C(III) e della radiazione Lyman b.
Ulteriori ioni vengono prodotti da radiazioni su
lunghezze d'onda tipiche dei raggi X. Nella regione E la
variazione di densità elettronica è grossomodo in
equilibrio con la quantità media degli ioni prodotti
tramite processi di ricombinazione. Proprio a causa di
tale caratteristica, ci si aspetterebbe un andamento
della densità elettronica in cui, questa, durante le
ore notturne, fosse praticamente trascurabile. In
realtà, di notte la presenza di ioni ed elettroni nella
regione E è apprezzabile. Si suppone che questo sia
dovuto, oltre che a fenomeni di trasporto degli
elettroni, anche alla ionizzazione provocata dalla
penetrazione nell'atmosfera delle meteore, le quali,
incendiandosi, emettono energie con lunghezza d'onda
tipiche delle radiazioni Lyman a, Lyman b e dell'He II
(30.4 nm). Si deve necessariamente menzionare anche la
presenza, a queste quota, dell'ossido nitrico NO, che,
con lo iono O2+ dà luogo alla formazione dello ione NO+.
Regione F1
denota quella parte
dell'atmosfera compresa tra 140 e 220 km circa. Il suo
costituente più importante è l'azoto molecolare N2,
che viene ionizzato dai raggi solari ultravioletti
relativi a lunghezze d'onda che vanno dai 275 ai 796 A.
La temperatura della regione F1 aumenta rapidamente con
la quota, e va da circa 500 K a 140 km ad oltre i 1000 K
a 220 km. Il massimo di produzione elettronica cade
proprio in questa zona, intorno ai 180 km.In questa
regione gli ioni più importanti sono NO+, sopra ai 140
km circa, e O+, presente soprattutto a quote maggiori a
170 km. Da ciò si deduce che, la presenza di ioni
molecolari sotto i 170 km assicura un andamento della
densità elettronica in accordo con la produzione
relativa degli elettroni. Il processo a due stadi, di
cui si è parlato precedentemente, invece, non
garantisce più tale comportamento nelle zone più alte
della regione F1. Il massimo di produzione ionica si
trova intorno ai 180 km, che coincide con la quota del
massimo di densità elettronica dello strato F1.
L'andamento diurno della frequenza critica f0F1 è,
qualitativamente, lo stesso di quello osservato nella
regione E, cioè esso presenta un massimo nelle ore
intorno al mezzogiorno locale. Anche le variazioni
stagionali risultano essere in accordo con quelle dello
strato E, quindi si avranno valori della frequenza
critica più alti in estate che in inverno.
Regione F2
si estende
approssimativamente dai 220 ai 2000 km. Sebbene il picco
di produzione elettronica si trovi nella regione F1, il
massimo di densità elettronica cade nella regione F2,
tra 220 e 500 km circa. Le ragioni di questo fenomeno
sono imputabili, da un lato al fatto che il fattore di
perdita elettronica decresce con l'altezza,
conseguentemente alla diminuzione della densità
molecolare in funzione della quota, e, dall'altro al
fatto che tra la protonosfera e la ionosfera esiste un
flusso di plasma. La specie gassosa dominante, a queste
quote, è l'ossigeno atomico O, sebbene anche N2 e O2
abbiano ruoli piuttosto importanti nel processo
d'interscambio tra ione ed atomo, che è alla base della
perdita elettronica dovuta al fenomeno della
ricombinazione dissociativa. A causa della dissociazione
di O2 ed alla conseguente formazione di O, il quale
possiede una massa molecolare più bassa, l'altezza di
scala, nella regione F2, aumenta. Lo ione dominante
della regione F2 è O+. Il gas neutro maggiormente
presente è l'ossigeno atomico O, ma N2 e O2 sono
ugualmente importanti per il ruolo che giocano nei
fenomeni di perdita del plasma. La quota del massimo di
densità elettronica è altamente variabile poiché
dipende dal vento neutro e dalla deriva
elettromagnetica. In assenza di diffusione, la densità
ionica aumenterebbe, conseguentemente alla grande
diminuzione del fattore di perdita elettronica, fino a
quote alle quali i componenti neutri in grado di essere
ionizzati divenissero insufficienti. Comunque, gli ioni
O+, prodotti nella zona sovrastante la regione F2,
diffondono verso gli strati sottostanti attraverso il
massimo della regione, con velocità tipicamente
dell'ordine di 10/20 m s-1. A differenza delle regioni
D, E ed F1, lo strato F2 è fortemente presente anche
durante le ore notturne. Da ciò si può ben comprendere
la sua primaria importanza nelle radiocomunicazioni.
Durante l'arco delle 24 ore la frequenza critica
raggiunge il suo valore minimo immediatamente prima
dell'alba per poi crescere rapidamente, a causa del
fenomeno della ricombinazione, nelle ore successive. La
regione F2 si differenzia anche nell'andamento
stagionale della f0F2, infatti nelle zone a medie
latitudini essa assume valori maggiori nei mesi
invernali e minori in quelli estivi.Al di sopra della
regione F2 si trova una zona, che si estende dai 300 ai
1000 km circa, in cui l'accesso alle onde radio ad alta
frequenza è impossibile. A queste quote domina la
presenza dello ione O+, e la densità elettronica
decresce rapidamentecon l'altezza. Al di sopra di una
certa quota, H+ diventa lo ione dominante e l'altezza di
scala torna ad aumentare sensibilmente. A 1000 km la
densità elettronica è dell'ordine di 1010- 1011
elettroni/m-3.Infine,
dalla quota in cui si ha l'uguaglianza tra la
concentrazione di O+ e quella di H+, fino alla zona in
cui la densità di plasma varia di uno o due ordini di
grandezza, si estende la "protonosfera" o
"plasmasfera". Questa può essere pensata come
quella parte della magnetosfera che co-ruota con la
Terra. All'interno della protonosfera la densità dei
componenti neutri è piuttosto piccola, e il profilo del
plasma viene determinato da fenomeni di trasporto. I
protoni vengono prodotti nella parte più bassa di
questa regione a causa di processi chimici del tipo, ad
esempio, di:
O++H -> H++O
I confini della
protonosfera variano sensibilmente, a seconda della
stagione dell'anno e dell'attività solare. E'
importante notare che, nella protonosfera, non vi è
produzione di plasma, quindi essa si comporta come un
grande serbatoio: prende il plasma dalla ionosfera
durante il giorno, lo "immagazzina" in un
ambiente privo di fattori di perdita e lo restituisce
alla ionosfera durante la notte, contribuendo, così, a
mantenere lo strato F nelle ore notturne.
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