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Ionosfera

Con il termine ionosfera si intende convenzionalmente la regione dell’alta atmosfera, che si estende da 50 a 1000 km circa sopra la superficie terrestre, in cui la densità di elettroni e ioni liberi raggiunge valori fisicamente rilevanti, cioè tali da influenzare l’indice di rifrazione delle onde elettromagnetiche.
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; inoltre variazioni più o meno importanti nella distribuzione della ionizzazione sono prodotte da qualsiasi tipo di fenomeno di trasporto e di propagazione ondosa che caratterizza l’atmosfera stessa. Ed è proprio a causa della sua estrema sensibilità nei confronti di fenomeni atmosferici di vario tipo che la ionosfera può essere utilizzata come un sensibile indicatore di variazioni atmosferiche.
La Figura 1 mostra il tipico profilo di densità elettronica notturno e diurno che caratterizza la ionosfera. Osservando tale profilo si distinguono diverse regioni ionosferiche, a loro volta suddividibili in diversi strati, con densità elettronica crescente, identificate convenzionalmente dalle lettere D, E, e F. L’esistenza di diverse regioni ionosferiche, ognuna caratterizzata da un determinato massimo di densità elettronica, è dovuta al fatto che la densità degli atomi che possono essere fotoionizzati decresce con l’altitudine, mentre l’intensità della radiazione solare cresce; questi due effetti opposti producono uno strato di elettroni con un massimo ad una certa altezza e dato che la composizione atmosferica varia con la quota, e differente è la risposta delle diverse specie atomiche alle radiazioni solari, la densità elettronica presenta un andamento con la quota caratterizzato da massimi e minimi relativi che identificano diverse regioni ionosferiche.
Il grado di ionizzazione alle varie altezze cambia in misura considerevole con il ciclo d’attività solare (in Figura 1, R rappresenta l’indice di attività solare), con il tempo (variazione diurna e stagionale), con la località geografica (medie latitudini, zone polari e equatoriali), con le condizioni geomagnetiche e in concomitanza di alcuni disturbi solari, geomagnetici e atmosferici.

Figura 1 Tipico profilo di densità elettronica notturno e diurno che caratterizza la ionosfera Tipico profilo di densità elettronica notturno e diurno che caratterizza la ionosfera

La ionosfera è caratterizzata dalle seguenti regioni ionosferiche:

Regione D. La parte più bassa della ionosfera costituisce la regione D ((50÷90) km) in cui è possibile distinguere due strati normali e permanenti: lo strato D (massima ionizzazione intorno a 65 km) e lo strato C (massima ionizzazione intorno a 55 km). In condizioni di quiete questa regione è presente solo di giorno mentre, in concomitanza con 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. La ionizzazione di questa regione è comunque molto bassa, variando da 107 a 1010 e/m3, ed in effetti le onde radio HF non vengono da essa riflesse. Tale regione è in realtà principalmente responsabile dell’assorbimento causato dal fatto che gli elettroni, posti in movimento dal campo elettrico dell’onda che si propaga, collidono con le molecole neutre presenti in grande concentrazione, sottraendo così energia alle onde. In questa regione infatti il prodotto Nn (dove N è la densità elettronica e n la frequenza delle collisioni tra gli elettroni e le molecole neutre), cui è proporzionale la costante di assorbimento, raggiunge il massimo assoluto.

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 (1011 e/m3) 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. In condizioni di quiete è però possibile, al contrario di quanto accade per lo strato D, avere un residuo di ionizzazione durante le ore notturne. La concentrazione di elettroni liberi presenta una forte dipendenza dall’angolo di elevazione solare con un massimo giornaliero in corrispondenza della massima elevazione e con un massimo stagionale in estate.
Tuttavia nella regione E, per via di diversi meccanismi, si possono sviluppare degli strati ionizzati sottili (con spessore compreso tra 0.2 e 2 km), molto densi, che prendono il nome di strati E sporadici. A basse e medie latitudini tali strati hanno un’occorrenza maggiore nei mesi estivi, durante il giorno e nella prima parte della sera. Ad alte latitudini tendono invece a formarsi prevalentemente di notte.

Regione F. Dal punto di vista delle comunicazioni HF via ionosfera la regione F ((140÷500) km) è la più importante, poiché 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 usualmente denominato strato F2. L’altezza dello strato F1 è compresa tra 140 e 220 km e la densità elettronica è dell’ordine di 1011 e/m3. Lo strato F2, dove si verifica il massimo assoluto di densità elettronica nella ionosfera, si trova a quote variabili fra 250 e 400 km e presenta una concentrazione di circa 1012 e/m3 durante il giorno e 5ּ1010 e/m3 durante la notte.
Oltre il massimo dello strato F2 la densità elettronica inizia a decrescere monotonamente e la ionosfera superiore va lentamente sfumando nella sovrastante magnetosfera.


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