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Fisica
dell'Atmosfera e della Ionosfera
Questa ricerca ha lo
scopo di mettere in relazione la propagazione delle onde
radio con la situazione meteorologica, per cercare di
capire quali possono essere le correlazioni tra la
meteorologia della troposfera e gli strati superiori
dell'Atmosfera terrestre. Come sappiamo le radio onde
hanno comportamenti completamente differenti al variare
della frequenza, pertanto dobbiamo tenerne conto, e
rapportare il tutto alla frequenza dell'onda riflessa.
Tutti i fenomeni meteorologici avvengono nella
troposfera, quindi ad altezze fino a 10 Km (zona
temperata), la troposfera e Ionosfera non sono due cose
completamente distinte ma dinamicamente legate, inoltre
le onde radio che partono dall'antenna trasmittente
devono attraversare entrambi gli strati quindi una certa
relazione e influenza ci deve pur essere, qualsiasi sia
la frequenza dell'onda incidente. Inoltre, studi recenti
sembrano confermare l'influenza che onde gravitazionali
atmosferiche generate da fenomeni troposferici, possono
avere sull'atmosfera e quindi anche sulla radio
propagazione.L'atmosfera terrestre ha dimensioni
estremamente limitate, questo strato esterno di vapor
d'acqua e gas che avvolge il nostro pianeta ha uno
spessore, se paragonato alle dimensioni fisiche della
terra, molto sottile, pertanto si puo' dedurre come
l'equilibrio dell'A. sia delicato e possa essere
influenzato dalla terra sottostante, dall'emissione
d'energia dal sole e quindi dalla magnetosfera.
Temperatura, pressione, flusso di radiazioni,
composizione, variano notevolmente con la quota, pero si
possono identificare zone all'interno dell'atmosfera,
dove questi valori variano molto lentamente o rimangono
fissi, sono le cosiddette "sfere", cioè' aree
con caratteristiche quasi costanti, separate da aree di
discontinuità' dove i valori subiscono una brusca
variazione, si tratta di zone molto sottili chiamate
"pause". La struttura e la suddivisione delle
varie zone e' riportata nella fig.1A, mentre nella
figura 1B e' riportata la concentrazione di elettroni e
di ioni per centimetro cubo in base all'altezza.
Ionosfera
La Ionosfera e' la parte
superiore dell'atmosfera della terra e si estende da
circa 60 a 1000 km di quota, la presenza d'elevate
quantita' di ioni e d'elettroni liberi influenza la
propagazione delle onde radio che l'attraversano. Ioni
ed elettroni liberi sono prodotti dalle molecole di gas
scisse dai raggi solari. Le fonti di ionizzazione sono
le seguenti:
Radiazione solare, raggi
X e ultravioletti UV
Raggi cosmici (GCR)
particelle energetiche
provenienti dal sole e dalle fasce di Van Allen.
nell'atmosfera più
bassa, radiazione radioattiva dalle roccie.
Ablazione meteorica nella
regione E
I raggi UV ed i raggi X
forniscono la fonte più importante di fotoionizzazione
sopra i 60 km di quota, fino alle quote più' alte,
regione F1 e F2 attorno ai 400 km d'altezza. La parte
penetrante profonda dei raggi UV (bassa lunghezza
d'onda, inferiore a 175 nano- metri) e dei raggi X,
incontra lo strato E a 90-140kms e per concludere, lo
strato D a 70-90km. Al di sopra dei 100 Km. la
ionizzazione e' causata dai raggi X solari, dove
elettroni e ioni vengono separati con il risultato di
una miscela d'elettroni, ioni e particelle di gas neutro
chiamato Plasma. La ionizzazione rende elettricamente
conduttiva l'aria, con la conseguenza che all'interno
della Ionosfera possono scorrere delle correnti
elettriche, e le radio onde possono essere riflesse o
assorbite. Durante le ore notturne, rimane una
ionizzazione residua oltre che una leggera fonte di
continua ionizzazione causata dalla dispersione dal lato
illuminato della terra, dalla radiazione stellare (che
interessa la regione E) e dai raggi cosmici galattici
(che interessano la regione D).
Troposfera
La troposfera e' lo
strato più' basso dell'atmosfera terrestre, essa si
estende dalla superficie della terra fino a circa 10 Km
di quota nelle zone temperate, lo spessore aumenta
all'equatore e diminuisce ai poli a causa delle
differenze di temperatura (5-6 Km. sopra i poli, 15-18
Km sopra l'equatore), l'aria più' calda per effetto
della dilatazione occupa uno spazio maggiore rispetto
all'aria fredda. La composizione chimica della
Troposfera e' la seguente:
-Azoto 75,5%
-Ossigeno 23,1%
-Anidride carbonica
0,046%
-Altri Gas 0,074%
-Vapore acqueo
indeterminato
La parola Troposfera
deriva dal greco "Tropos" che significa
variazione, proprio perche' all'interno di questa sfera
troviamo i maggiori valori di pressione e densita,'
nonche' le più' grandi variazioni. All'interno della T.
accadono tutti i fenomeni meteorologici , come nuvole,
precipitazioni, fulmini e la temperatura diminuisce con
l'aumentare della quota in ragione di circa 6 °C ogni
chilometro, in essa e' contenuto il 90% dell’atmosfera
terrestre e il 99% del vapore acqueo; e’ formata per
il 23% di ossigeno molecolare (O2), per il 75% di azoto
molecolare (N2) e sono presenti in quantita’ del tutto
trascurabile (1-2%) anche altri gas.
Effetti meteorologici
Le piu' recenti ricerche
scientifiche sembrano dimostrare un'interazione tra la
Ionosfera e la bassa atmosfera. L'aeronomia e la
dinamica dello strato assorbente D, gli anomali
assorbimenti delle radio onde nella ionosfera, la
formazione e la struttura dell'Es, le correnti
ionosferiche, nonch' la struttura della regione F,
dovrebbero essere studiate in correlazione con la
situazione termodinamica degli strati ionosferici
inferiori e quindi anche in relazione a quanto accade
nella troposfera. Questo è dovuto alla propagazione
dalla troposfera e dalla stratosfera verso la ionosfera
di un largo spettro di onde interne atmosferiche,
acustiche e gravitazionali oltre che da possibili
influenze gravitazionali della luna (maree). Movimento e
circolazione dei venti, turbolenze e correnti non
avvengono solo all'interno della troposfera ma accadono
fino all'altezza Della Ionosfera. La forza di
interazione dipende dalle caratteristiche della
circolazione atmosferica, dall'intensita' e dall'origine
delle onde. La teoria dell'influenza dei venti
ionosferici, delle onde gravitazionali associata
all'azione delle condizioni meteorologiche nella
troposfera dovrebbe avere quindi una certa influenza
sugli strati ionosferici e quindi influenzare anche la
propagazione delle radio onde nella ionosfera. Lo
ionosfera e la troposfera sono legate sia dinamicamente
sia chimicamente. Alle latitudini basse e centrali nel
lato illuminato della terra, per esempio, i venti neutri
termosferici spostano il plasma ionosferico attraverso
le linee del campo geomagnetico, creando una dinamo
atmosferica che genera tutta una serie di correnti
ionosferiche e l' electrojet equatoriale, si forma una
forte corrente dal lato illuminato verso il lato oscuro
che entra nella regione E, lungo l'Equatore geomagnetico.
TIDs, Travelling
Ionospheric disturbances
Si tratta di strutture ad
alta densita' elettronica che si propagano
orizzontalmente ad una velocità da 5 a 10 Km/min. con
una ben definita direzione. Essi hanno origine dalla
zone aurorali a seguito di eventi solari o per effetto
di onde gravitazionali causate da eventi meteorologici.
Questi disturbi ionosferici possono avere effetti
negativi sulle riflessioni dei segnali radio,
soprattutto sono causa di evanescenza poiche' possono
formare delle regioni ionosferiche inclinate (come da
figura 3) causa di percorsi multipli che generano
appunto l'evanescenza del segnale, inoltre TIDs causano
la variazione di fase, ampiezza, polarizzazione e angolo
di arrivo dell'onda elettromagnetica. Si possono
distinguere due diversi tipi di disturbi ionosferici
mobili:
-TIDs su larga scala,
aventi 1000 Km di lunghezza d'onda , che si muovono
generalmente dai poli verso l'equatore e generati dall'attivita'
aurorale
-TIDs su media scala,
aventi qualche centinaia di Km di lunghezza d'onda e
generati da fenomeni temporaleschi e onde gravitazionali
atmosferiche.
Venti ionosferici e onde
gravitazionali
Le onde gravitazionali
atmosferiche (da non confondersi con le onde
gravitazionali legate alla teoria della relativita' di
Einstein) Giocano un ruolo importante nella dinamica
della media e alta atmosfera. Propagandosi attraverso la
termosfera e interagendo con il plasma ionosferico
producono disturbi ionosferici, e sono in grado di
interagire con il campo magnetico fino al livello dello
strato F, influenzandone la concentrazione ionica, le
onde gravitazionali che si propagano dagli strati
inferiori, creano, infatti, un flusso di ioni che
influenzano l'economia del processo di ionizzazione che
consiste nell'acquisire o perdere degli elettroni. Tale
influenza sembra più' marcata nella formazione dello
strato F2 notturno, dove le o.g. contribuirebbero a
fornire una piccola ma continua sorgente di nuova
ionizzazione, contribuendo al mantenimento della
ionizzazione residua notturna. Le o.g. sono onde di
pressione neutra a gran lunghezza d'onda (con un periodo
T variabile da 10 a 180 Minuti) che si estendono
all'interno della termosfera e il meccanismo che genera
l'onda è un'oscillazione causata dallo spostamento di
una cella d'aria che è ricollocata nella sua posizione
iniziale per effetto della gravita' e i movimenti che le
generano hanno varia natura, nella bassa atmosfera sono
attivate da diversi fenomeni meteorologici come
formazioni temporalesche, azione dei venti sulla
superficie terrestre, formazioni cicloniche e
instabilità' causate dal jet stream, mentre alle alte
latitudine le o.g. si localizzano maggiormente nell'alta
atmosfera e hanno cause associate al riscaldamento per
effetto joule, alle forze di Lorentz, e alle
precipitazioni particellari legate al campo magnetico e
provenienti dal sole. Il differente livello
d'insolazione tra i due emisferi determina un forte
squilibrio termico che genera una vasta circolazione di
correnti nella bassa ionosfera, nell'emisfero estivo,
quindi più' caldo si crea una corrente ascensionale,
compensata da una corrente in direzione opposta
nell'emisfero freddo, è questa la dinamica che genera i
forti venti ionosferici. Queste oscillazioni alle
latitudini temperate, avvengono nella bassa atmosfera
(limiti della troposfera) e conseguentemente si
propagano all'interno della Mesopausa (circa 90
chilometri di quota), fino alla termosfera, coinvolgendo
in pieno la regione E. Perturbazioni temporalesche,
fulmini, sprites, cicloni ,tempeste e forti
perturbazioni meteorologiche, sono sorgenti di onde
gravitazionali che creano perturbazioni agli strati D ed
E e perfino alla regione F.Le onde gravitazionali
atmosferiche sono un importante elemento di correlazione
tra gli strati bassi dell'Atmosfera e la Ionosfera che
possono influenzare il comportamento di quest'ultima e
quindi della radio propagazione. La figura mostra il
principio di base, cioè' l'oscillazione di una
particella d'aria che genera l'onda gravitazionale. Essa
si propagano sia verticalmente che orizzontalmente e
trasportano attivamente l'energia e la quantità di moto
dalla troposfera all'atmosfera centrale e superiore.
Jet stream (Correnti a
getto)
Si tratta di grandi
correnti d'aria di direzione prevalentemente occidentale
che corrono attorno al pianeta a quote attorno ai 100
chilometri e con velocità che possono superare i 100
metri/sec. All'interno di ciascuna corrente si trovano
forti turbolenze di maggiore forza e velocita' che a
causa degli attriti con gli strati inferiorihanno
ripercussioni sulla meteorologia, dando origine a zone
di alta e bassa pressione. Queste forti correnti
avvengono nella mesosfera che e' uno strato molto
dinamico, dove venti, onde atmosferiche e turbolenze,
giocano un ruolo molto importante. Questi processi
influenzano sia gli strati che si trovano sopra che
quelli sotto. Nella cartina e' riportata una mappa
meteorologica raffigurante la situazione del jet stream
sull'Europa riferita al 04/09/2003. E' probabile che
alcuni eventi propagativi quali per esempio le aperture
di E sporadico, siano influenzati dall'intensità e dai
movimenti di questi venti stratosferici.
Propagazione HF
La propagazione delle
onde HF avviene prevalentemente all'interno della
Ionosfera terrestre, pertanto la situazione
meteorologica non e' l'elemento più' importante poiche'
le riflessioni dei segnali sono dovute a strati che si
trovano relativamente in alto (soprattutto per
riflessioni che accadono nella regione F) e quindi
distanti dalla Troposfera cioe' dall'area dove si
sviluppano i fenomeni meteorologici. Tuttavia, i treni
d'onde si propagano dalla bassa atmosfera e molti
collegamenti avvengono con l'ausilio della regione E, e
quindi di un'area che potrebbe essere influenzata in
modo importante dalla situazione meteo in basso, inoltre
le regole dell'assorbimento sono governate dalla
situazione molecolare dello strato D, (effetti delle
onde gravitazionali sull'assorbimento delle onde radio)
che e' lo strato più' vicino alla troposfera e quindi
più' influenzato. L'effetto quindi delle onde
gravitazionali, e dei venti presenti nella stratosfera,
hanno un qualche impatto sulla qualita' della
propagazione HF, si tenga presente che all'altezza delle
regioni D ed E (Mesosfera) si ha la presenza di venti
regolari e impetuosi anche di 300 Km/h, che potrebbero
deteriorare l'uniformita' degli strati. Tendenzialmente,
la propagazione sembra essere migliore in presenza di
estese area di alta pressione, anche perche' la
situazione complessiva degli assorbimenti dovrebbe
essere migliore in presenza di vaste aree di bel tempo,
risulta difficile tuttavia stabilire e capire che cosa
avviene. Il comportamento della ionosfera viene
soprattutto influenzato dalla radiazione solare
ultravioletta che è assorbita dalle varie specie
chimiche presenti e conseguentemente dalla densita' di
elettroni liberi presenti nella Ionosfera (Figura 4),
pertanto la situazione solare e geomagnetica rimane
comunque l'azione determinante che governa la radio
propagazione sulle frequenza HF. C'e' da dire inoltre,
che la maggior parte dei collegamenti in onde corte
avvengono su distanze grandissime, che coinvolgono stati
e continenti, pertanto le condizioni meteorologiche
possono essere le più' varie possibili.
Propagazione VHF
La situazione in questo
caso si ribalta, i segnali VHF si propagano
prevalentemente all'interno della Troposfera e quindi la
situazione meteorologica diventa determinante e governa
la propagazione delle frequenze VHF, dai 144 Mhz fino ai
430 Mhz. Basta pensare che la rifrazione delle onde Vhf
e' causata dal variare dell'indice di rifrazione
dell'aria, causato dal variare delle caratteristiche del
mezzo (umidita', densita' dell'aria, pressione,
temperatura) . I segnali vhf che si propagano attraverso
la troposfera subiscono una deviazione soprattutto negli
strati compresi entro i primi chilometri di quota (3 -4
Km) poiche' e' in quest'area che avvengono le maggiori
variazioni, pertanto i vari fenomeni propagativi che
coinvolgono la propagazione nelle Vhf, come:
-Rifrazione e difrazione
troposferica
-Tropo-scatter
-Condotti troposferici
-Inversione di
temperatura
-celle convettive
Sono una diretta
conseguenza delle condizioni del tempo meteorologico.
E sporadico
La propagazione per Es ha
molti punti di contatto con la situazione meteorologica.
L'azione combinata dei venti ionosferici e delle onde
gravitazionali creano degli ammassamenti di ioni attorno
ai 100 chilometri di quota causa appunto della
propagazione Es (wind shear theory). La condizione
migliore sembra quella in cui un'area di bassa pressione
viene a trovarsi tra due fronti freddi, poiche' a queste
condizioni meteorologiche dovrebbero essere associate
forti venti e turbolenze all'altezza della regione E, si
tratterebbe proprio di quei venti ionosferici che poi
creano le condizioni per addensare gli ioni creando le
cortine ad alta densita di elettroni liberi, causa
appunto delle rifrazioni per E sporadico. L'azione più'
o meno intensa delle onde gravitazionali, combinata alla
presenza di altri catalizzatori esterni quali
l'ablazione meteorica e la favorevole azione del campo
geomagnetico determinerebbero poi l'intensità' della
ionizzazione e quindi la capacita' di rimandare a terra
onde a frequenza elevata, sappiamo che all'aumentare
della frequenza utilizzata la capacita' di rifrazione
dell'Es diventa sempre più' rara poiché' diventa
sempre più' critico il livello di ionizzazione
necessario, questo potrebbe essere dovuto alla
difficoltà' di avere contemporaneamente attivi tutti i
fattori di cui abbiamo appena parlato. Dovrebbe esserci
inoltre una possibile correlazione tra i temporali e la
formazione dello strato E sporadico. Osservazioni
pratiche sembrerebbero confermare questa teoria, poiche'
si e' riscontrato frequentemente un significativo
miglioramento delle condizioni di propagazione subito
dopo un fenomeno temporalesco soprattutto sulle bande
alte delle HF (21-24-28 Mhz). Le correlazioni tra gli
strati bassi e quelli più' alti dell'atmosfera
terrestre sembrerebbe supportare quest'ipotesi. Le
violente agitazioni presenti all'interno di un fronte
temporalesco generano delle onde gravitazionali che si
trasmettono fino alla ionosfera e questo potrebbe essere
legato al miglioramento delle condizioni di propagazione
innescate dal temporale nonche' al possibile legame tra
temporali ed E sporadico. Questo legame anche se non ha
ancora ottenuto un'omologazione scientifica, sembra
essere sostenuto soprattutto dai radioamatori basandosi
soprattutto su osservazioni pratiche e statistiche.
Tuttavia la scienza ufficiale tenderebbe ad escludere
tale relazione sostenendo che le zone di transizione tra
la troposfera e la ionosfera, denominate tropopausa e
stratopausa proteggono per cosi dire gli strati
riflettenti da influenze sulla composizione molecolare e
di concentrazione elettronica da parte di fenomeni
troposferici, oltre che non trovare una relazione
statistica tra il verificarsi dell'Es e i temporali. E'
altresì vero comunque che sulla terra si verificano
statisticamente circa 100 scariche elettriche
temporalesche ogni secondo, con una concentrazione
soprattutto nella fascia dell'equatore e nell'emisfero
estivo (l'incidenza dell'Es è maggiore nei mesi estivi
e nella fascia tropicale), queste scariche elettriche
sviluppano una quantità' impressionante di energia,
abbiamo quindi un livello enorme di energia potenziale
che potrebbe agire come catalizzatore di Es, è sicuro
che non tutte le celle temporalesche danno luogo alla
formazione di Es ma potrebbe avvenire una combinazione
di eventi dove appunto l'energia elettrica potrebbe
avere la funzione di innesco. Un ulteriore legame con le
ipotesi appena discusse riguarda la scoperta fatta negli
ultimi anni di un interessante fenomeno associato ai
normali temporali, si tratta degli sprites rossi.
L'interrogativo e' se e come, quest'enorme energia
potenziale interagisce con la ionosfera e con i
meccanismi di ionizzazione, influenzando la formazione
dell'Es e la propagazione in generale.
Possibili effetti legati
agli sprites
Si tratta di fenomeni
simili ai fulmini che si sviluppano pero' nella
stratosfera ad un'altezza compresa tra i 10 e i 100
chilometri, avvengono quindi delle scariche elettriche
della durata di qualche decimo di secondo che si
sviluppano a causa della differenza di potenziale tra le
nubi e l'alta atmosfera. Mentre in un primo momento si
pensava che questi fenomeni fossero sempre associati a
formazioni temporalesche, recenti ricerche scientifiche
hanno dimostrato che gli sprites si possono verificare
anche in assenza di temporali, questo se da una parte
rende ancora più' difficile l'interpretazione di questo
misterioso fenomeno, dall'altra apre nuove prospettive
sulle conseguenze che queste scariche elettriche possono
avere sulla composizione chimica e sulla struttura della
Ionosfera terrestre e quindi anche sulla propagazione
delle radio onde, siccome le scariche possono
raggiungere l'altezza di 100 chilometri e gli eventi
più estesi si possono propagare in un volume di 10000
chilometri cubi, coinvolgendo in pieno lo strato D ed E
della Ionosfera.
Assorbimento
Effetti meteorologici
come onde gravitazionali, e riscaldamento stratosferico
possono avere un impatto negativo sulle trasmissioni dei
segnali radio specie per i segnali a frequenza più'
bassa (onde medie e bande basse dello spettro HF)
poiche' aumentano l'assorbimento della regione D.
L'assorbimento e' causato dalle collisioni degli
elettroni dell'onda elettromagnetica con gli atomi
neutri presenti principalmente nella regione D, e per
effetto di queste collisioni gli elettroni cedono
energia. Le onde gravitazionali atmosferiche tendono ad
addensare gli ioni all'interno della regione D,
innalzando quindi le probabilita' di collisione
aumentando di conseguenza l'assorbimento d'energia.
Osservazioni su larga scala mi hanno convinto sempre di
più' che gli assorbimenti giocano un ruolo determinante
nella propagazione delle radio onde, per un'analisi
delle condizioni di propagazione e per capire se un
determinato collegamento e' possibile, e' necessario
attribuire grande importanza al grado di assorbimento
ionosferico, si tratta di un parametro determinante
cosi' come gli indici solari e geomagnetici.
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