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Fondo elettromagnetico naturale


Ambiente elettromagnetico terrestre

Il fondo elettromagnetico naturale, limitatamente alle radiazioni non ionizzanti, si estende in un campo di frequenza che va all’incirca dai mHz (millesimi di Hertz) fino alle centinaia di GHz (miliardi di Hertz).

A questo fondo naturale, detto anche rumore, tutti gli esseri viventi del nostro pianeta sono stati esposti dall’inizio dei tempi.

Le sorgenti del fondo elettromagnetico naturale (suddivise secondo il campo di frequenza) possono essere elencate in una tabella come segue:

Sorgenti del fondo elettromagnetico naturale
Denominazione internazionale Campo di frequenze Sorgenti naturali Ambiente
(non ancora definita) <3 Hz modi risonanti della cavità magnetosferica, dovuti a interazione tra vento solare e magnetosfera interno cavità magnetosferica
ULF, SLF, ELF 3 Hz - 3 kHz modi risonanti della cavità ionosferica, scariche atmosferiche (sferics) interno della cavità ionosferica
VLF (3 - 30) kHz scariche atmosferiche interno della cavità ionosferica
LF (30 - 300) kHz scariche atmosferiche interno della cavità ionosferica
MF 300 kHz - 3000 MHz scariche atmosferiche interno della cavità ionosferica
HF (3 - 30) MHz scariche atmosferiche atmosferico planetario
VHF (30 - 300) MHz scariche atmosferiche e cosmico (solare-galattico) atmosferico planetario (propagazione rettilinea)
UHF 300 MHz - 3 GHz cosmico (solare-galattico) planetario (propagazione rettilinea)
SHF (3 - 30) GHz cosmico (solare-galattico) planetario (propagazione rettilinea)
EHF (30 - 300) GHz cosmico (solare-galattico) planetario (propagazione rettilinea)

 


Bande ELF - SLF - ULF (3 Hz - 3 kHz)

Il campo ultra-low-frequency (ULF) si estende dal mHz fino a circa 3 Hz, cioè dalla più bassa frequenza sostenuta dalla cavità risonante della magnetosfera fino alle frequenze generate principalmente dalle girofrequenze ioniche, includendo anche vari fenomeni di interazione onda particella, perturbazione e iniezione del plasma a livello magnetosferico, attività solare, ecc. In questo campo di frequenza sono presenti oscillazioni regolari e persistenti del campo magnetico terrestre dette micropulsazioni.

Figura 1 Schema di ampiezza delle micropulsazioni geomagnetiche Spettro di ampiezza delle micropulsazioni geomagnetiche

I pedici c o i indicano la natura continua o irregolare di questi fenomeni. Quasi tutte le componenti sono generate all’interno della cavità magnetosferica e ionosferica e in ultima analisi traggono energia dal flusso di particelle proveniente dal sole e dal campo magnetico congelato in questo flusso. Queste perturbazioni ondose hanno una potenza normalmente molto bassa e di fatto hanno solo un interesse geofisico. Il rumore naturale nella banda di frequenze ELF è alimentato dalle scariche elettriche atmosferiche. L’energia elettromagnetica di queste scariche (sferics) da luogo a diversi fenomeni di propagazione ondosa nelle bande interessate. L’energia delle scariche a più bassa frequenza viene riflessa verso terra dalla ionosfera e rimane confinata all’interno della cavità ionosferica stessa ove si producono una serie di onde stazionarie la cui lunghezza d’onda è comparabile con le dimensioni del pianeta. Le componenti spettrali dominanti sono chiamate risonanze di Schumann.

Figura 2 Spettro di ampiezza delle risonanze di Schumann Spettro di ampiezza delle risonanze di Schumann

I confini di questa cavità sono la bassa ionosfera, a circa 60/70km di altezza, e la superficie terrestre, cioè due strati conduttori praticamente concentrici. La ionosfera ha una conducibilità elettrica crescente con la quota che cambia con l’ora del giorno, la stagione, il ciclo solare e la località geografica. Il variare della conducibilità elettrica altera continuamente forma e dimensioni della cavità ionosferica producendo le varie componenti armoniche sostenute all’interno della cavità stessa. Questi intervalli di frequenza del fondo elettromagnetico naturale sono costantemente monitorati dagli osservatori dell’INGV.


Banda VLF (3 - 30 kHz)

Le scariche elettriche atmosferiche irradiano energia in un largo spettro di frequenze che va da 3 Hz, cioè a partire dai più bassi valori delle ELF, fino a 100 MHz, anche se l’energia maggiore è concentrata fino al limite superiore della banda VLF.
Questa energia è contenuta in un impulso di breve durata temporale (ordine delle centinaia di ms) che si irradia nell’atmosfera e che si può ascoltare nelle radio a modulazione di ampiezza, ma che in generale disturba in vario modo tutti i dispositivi elettronici. Le scariche vengono chiamate “sferics” per ricordarne l’origine atmosferica e qualche volta “static”.
Di tutta l’energia liberata nelle scariche atmosferiche, una gran parte, il 10% circa, viene irradiata sotto forma di radio onde e la gran parte viene liberata come calore, energia luminosa ed energia meccanica.
Questa frazione di energia elettromagnetica RF irradiata, prodotta dai circa 100 fulmini al secondo presenti soprattutto nella fascia equatoriale del pianeta, è comparabile all’energia elettrica prodotta negli anni ’70 da tutte le centrali elettriche installate sulla Terra. Gli sferics che si propagano per grandi distanze (migliaia di km) danno luogo a fenomeni dispersivi chiamati “tweeks”. Questi, se ascoltati con un apparecchio, producono delle sonorità riconoscibili simili a brevi note con frequenza decrescente.
L’energia elettromagnetica prodotta dai fulmini che penetra la ionosfera (per frequenze superiori ai 20 MHz) si perde nello spazio, anche se una piccola parte viene convogliata lungo le linee di forza del campo magnetico terrestre e si propaga producendo un fenomeno ondoso piuttosto rilevante chiamato “whistler”.
I whistler si possono ascoltare sempre nella banda VLF con opportune antenne in luoghi isolati con radio a modulazione d’ampiezza. I suoni che essi producono sono simili a fischi con frequenza decrescente.


Bande LF - MF - HF (30 kHz - 30 MHz)

Il rumore elettromagnetico naturale in queste bande di frequenze è generalmente decrescente con la frequenza, fortemente modulato dalle condizioni ionosferiche locali, ed è di origine atmosferica. Questa dipendenza dalle condizioni ionosferiche è stata storicamente molto importante soprattutto per problemi di radiocomunicazione. Pertanto, in queste bande le misure del rumore elettromagnetico di fondo iniziarono con la crescita delle comunicazioni radio. Le onde elettromagnetiche prodotte dalle scariche impulsive atmosferiche che vengono irradiate in queste bande di frequenza non superano la barriera ionosferica. Esse penetrano gli strati ionosferici più bassi dove vengono variamente attenuate e sono riflesse dagli strati ionosferici più alti fino a che le frequenze non superano una certa frequenza critica, in corrispondenza della frequenza di plasma che caratterizza la ionosfera.
In realtà, anche l’angolo di incidenza gioca un ruolo importante e i vari modi di propagazione si stabiliscono in base alle geometrie piuttosto complicate di tutti i possibili modi di propagazione. Il risultato complessivo di questi modi propagativi fa si che vi sia anche una dipendenza geografica nella distribuzione del rumore di origine atmosferica. La distribuzione del rumore elettromagnetico in funzione della frequenza è riportata nella figura 3 dove compare anche un contributo dovuto al rumore cosmico a partire dalle frequenze che superano dall’alto gli strati riflettenti ionosferici.

Figura 3 Dipendenza geografica nella distribuzione del rumore di origine atmosferica Dipendenza geografica nella distribuzione del rumore di origine atmosferica

Già negli anni ’30 si osservarono le variazioni periodiche diurne, stagionali ecc. del rumore elettromagnetico di fondo. Tali misure, eseguite in siti diversi e con diverse modalità erano però difficilmente comparabili. Solo nei primi anni ’60 si arrivò ad una standardizzazione della misura ad opera del Consultive Committee International Radio (CCIR), furono installate 16 stazioni in differenti località del mondo per monitorare il rumore elettromagnetico nelle bande d’interesse. La banda di frequenza delle HF viene utilizzata per i sondaggi radio che l’INGV effettua costantemente per le attività di monitoraggio ionosferico.


Bande VHF - UHF - SHF - EHF (30 MHz - 300 GHz)

Schema sorgenti alte frequenzeNella banda VHF/UHF il fondo elettromagnetico naturale è dovuto soprattutto al contributo esterno alla Terra tra i quali il contributo principale è dovuto al Sole e una parte di minore importanza dovuto al fondo emesso dalla nostra galassia. In questo campo di frequenza la dipendenza della potenza spettrale segue la legge lineare 1/f .
Tale dipendenza è dovuta soprattutto ai meccanismi d’interazione delle onde e.m. con la materia che fa si che le frequenze più elevate siano maggiormente assorbite. Il rumore elettromagnetico di origine cosmica in questa banda di frequenze si ritiene costante nel tempo.
A causa della ionosfera, che opera come un filtro passa alto, le bande di frequenza al di sotto delle VHF non arrivano sulla superficie terrestre. In un breve intervallo di frequenza, cioè per frequenze maggiori delle frequenze critiche di penetrazione del plasma ionosferico (20 MHz) ma relativamente basse (inferiori a 50 MHz) tale da subire una attenuazione rilevante da parte del plasma della bassa ionosfera, il rumore cosmico è in qualche misura modulato dalle condizioni della regione ionosferica D. In tale intervallo di frequenze si collocano le osservazioni radiometriche che l’INGV esegue insieme alle osservazioni ionosferiche e geomagnetiche.
A frequenze relativamente alte non vi è più la tipica interazione con il plasma ionosferico e la dipendenza lineare 1/f è pressoché perfetta.
Al di sopra di questa banda di frequenze il rumore radio di origine cosmica diventa quasi insignificante ai fini della caratterizzazione ambientale ma è ancora significativo per alcune applicazioni strumentali e per le sue implicazioni nella radio astronomia.


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