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Scintillazioni Ionosferiche


La ionosfera può presentare irregolarità di densità elettronica che possono causare diffrazione e dispersione dei segnali radio che la attraversano. Le fluttuazioni dei segnali satellitari sia in ampiezza che fase prendono il nome di scintillazione ionosferica. La scintillazione ionosferica può provocare seri problemi ai segnali satellitari, compromettendo, per esempio, la qualità dei sistemi di navigazione.

Figura 1 La scintillazione dei segnali satellitari è dovuta a fluttuazioni dell’indice di rifrazione che alterano il fronte d’onda originale dando luogo ad una modulazione di fase del segnale. Le fluttuazioni dell’indice di rifrazione sono dovute alle irregolarità presenti nella ionosfera!

Le irregolarità ionosferiche

La ionosfera può discostarsi dal comportamento atteso e previsto dai modelli (vedere per esempio il modello ionosferico di Klobuchar). Questo accade per esempio quando la ionosfera include al suo interno delle irregolarità, delle zone in cui la densità elettronica si distingue nettamente da quella dell’ambiente circostante. Queste irregolarità possono causare effetti di diffrazione, vale a dire di scintillazione, sui segnali che le attraversano. La formazione, l’evoluzione e la dinamica di tali irregolarità sono determinate dalla interazione tra il campo geomagnetico, il campo magnetico interplanetario (IMF) e il vento solare (ossia il flusso di particelle energetiche provenienti dal Sole).

Figura 2 L’interazione tra il vento solare ed il campo geomagnetico determina la tipica forma “a cometa” delle linee di forza del campo geomagnetico, compressa di fronte al Sole ed allungata nella parte posteriore. Il campo geomagnetico agisce come uno scudo proteggendo l’atmosfera terrestre dal vento solare. I punti deboli di questo scudo sono le aree polari attorno alle quali le particelle che compongono il vento solare hanno accesso diretto in atmosfera

All’equatore le linee di forza del campo geomagnetico sono quasi orizzontali rispetto alla superficie della Terra, mentre a latitudini aurorali sono quasi verticali. Tale caratterizzazione relativa alla configurazione del campo geomagnetico, rende queste regioni le più soggette alla presenza di irregolarità ionosferiche, potenzialmente pericolose per i sistemi di comunicazione e posizionamento satellitare.

Figura 3 Le occorrenze di eventi di scintillazione nella banda radio denominata “L” (frequenze comprese tra 950 MHz e 1450 MHz ) riportate durante un periodo di alta e bassa attività solare (Basu, S. et al., J. Atmos. Terr. Phys, v.64, pp. 1745-1754, 2002)

Gli indici di scintillazione

Gli indici di scintillazione ionosferica maggiormente utilizzati sono gli indici S4 e σΦ che indicano l’ intensità della scintillazione rispettivamente in ampiezza e fase.L’indice di scintillazione in ampiezza, S4, è la deviazione standard dell’intensità del segnale ricevuto calcolata in un determinato intervallo di tempo, generalmente 60 secondi.

Figura 4 Un esempio di andamento di S4 in un periodo temporale di un’ora riportata per tutti i satelliti in vista (in diversi colori) nel corso di una tempesta geomagnetica che si è verificata alla fine del mese di ottobre 2003. I dati si riferiscono alla stazione ISACCO-Nya0 installata a NyAlesund (isole Svalbard). I dati di scintillazione sono accessibili tramite il sistema eSWua.

L’indice di scintillazione di fase, σΦ, è la deviazione standard dei valori di fase della portante del segnale GPS, campionati ed opportunamente filtrati (“detrended”) in un certo intervallo di tempo, generalmente 60 secondi.

Figura 5 Un esempio di andamento di σΦ in un periodo temporale di un’ora riportata per tutti i satelliti in vista (in diversi colori) nel corso di una tempesta geomagnetica che si è verificata alla fine del mese di ottobre 2003. I dati si riferiscono alla stazione ISACCO-Nya0 installata a NyAlesund (isole Svalbard). I dati di scintillazione sono accessibili tramite il sistema eSWua.

Il monitoraggio delle scintillazioni ionosferiche

Per monitorare effetti così transitori come le scintillazioni ionosferiche è necessario utilizzare dei ricevitori GPS in grado di campionare il segnale sia in ampiezza che fase con una frequenza di almeno 50Hz. Nell’ambito delle attività di monitoraggio e di Meteorologia Spaziale (Space Weather) l’INGV ha realizzato una rete di ricevitori GISTM (“GPS Ionospheric Scintillation and TEC Monitors”) in grado di fornire in tempo reale informazioni sulle scintillazioni ionosferiche (progetto ISACCO). Il sistema GISTM è basato su un ricevitore Novatel GSV4004B opportunamente modificato in grado di fornire gli indici di scintillazione nella banda di frequenza L1 (1575.42 MHz ) ed il valore di TEC (Contenuto Elettronico Totale) da entrambe le frequenze L1 e L2. Inoltre fornisce i dati grezzi con campionamento sia in ampiezza che in fase a 50 Hz (20 ms). Attualmente la rete e’ costituita da tre ricevitori GISTM installati alle Isole Svalbard (Norvegia), e da due in Antartide a MZS (74,7° S, 164,1° E) e sul plateau antartico a Stazione Concordia (Dome C, 75,1° S, 123,4° E). Il primo GISTM è stato installato nel settembre 2003 presso la stazione artica italiana "Dirigibile Italia" a Ny Alesund (79,9° N, 11,9° E, Svalbard, Norvegia).

Figura 6 Il sistema di acquisizione delle scintillazioni ionosferiche presso la Stazione Concordia (Antartide)
Figura 7 L’antenna del sistema GISTM installata presso la Stazione Mario Zucchelli (Antartide)
Figura 8 Esempio di uno studio sugli eventi di scintillazione ionosferica ottenuto mediante un approccio multi-strumentale. Questa figura mostra la ricostruzione topografica a diversi istanti del TEC. Alle immagini sono sovrapposti i massimi (pallini bianchi) dell’indice σΦ registrati da diverse stazioni per il monitoraggio delle scintillazioni ionosferiche. L’immagine conferma il ruolo cruciale svolto dai gradienti di TEC sulla produzione di scintillazione osservata proprio sul bordo delle regioni ad alto contenuto elettronico (G. De Franceschi, L. Alfonsi, V. Romano, M. Aquino, A. Dodson, NC Mitchell, AW Wernik, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2008)

 


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