È importante collocare la regione della ionosfera perché la percezione comune è che l’atmosfera sia associata alle nuvole, mentre la ionosfera è parte dell’atmosfera ma è a quote molto più alte. Le nuvole sono concentrate soprattutto nella troposfera (fino a circa 15 km), mentre la ionosfera è la regione che si trova tra circa 50 e 1000 km dalla superficie terrestre.
Il nome “ionosfera” rivela che in questa regione dell’atmosfera siano presenti ioni. Questo fenomeno è dovuto principalmente all’azione del Sole che ionizza i componenti atmosferici: un atomo, o un gruppo atomico, acquista una carica elettrica passando dalla neutralità allo stato di ione. Questo processo favorisce la produzione di elettroni liberi (cariche negative elementari), la cui concentrazione è massima intorno ai 350 km di quota. Questa concentrazione varia nel tempo e nello spazio, risentendo dell’attività solare.
La ionosfera, grazie alle sue caratteristiche, è in grado di modificare la propagazione delle onde elettromagnetiche che la incontrano e la attraversano.
E proprio grazie a questa sua proprietà Guglielmo Marconi effettuò il primo radiocollegamento senza fili (wireless) tra il Canada e la Cornovaglia nel 1901. Dopo questo primo esperimento si iniziò a comprendere che nella parte superiore dell’atmosfera vi è una regione (la ionosfera appunto) in grado di riflettere le onde radio trasmesse sulle frequenze HF così da farle ricevere in luogo diverso, anche molto lontano dal punto di trasmissione.
I cambiamenti nel tempo e nello spazio della ionosfera determinano il successo o l’insuccesso di un collegamento radio.
Per le sue proprietà elettromagnetiche la ionosfera modifica anche la propagazione dei segnali che dai satelliti GNSS (tra cui GPS e Galileo) arrivano a terra. Il passaggio di questi segnali nella ionosfera costituisce la principale fonte di errore nel posizionamento fornito dalle costellazioni GNSS ed è dovuto proprio alla presenza degli elettroni liberi. La presenza di uno strato dell’atmosfera ionizzato, infatti, introduce una deviazione nella propagazione e, quindi, un ritardo nella ricezione a terra rispetto al tempo che impiegherebbe se il segnale non venisse deviato. Nel caso in cui la ionosfera sia fortemente disturbata quindi si possono verificare delle riflessioni multiple del segnale nel passaggio attraverso essa.
Per questo motivo i satelliti GPS riescono a fornire una preziosa misura del contenuto di elettroni presenti nella ionosfera. Infatti il disturbo del segnale è legato alla concentrazione degli elettroni liberi. Opportunamente analizzato, fornisce il TEC (Total Electron Content), la concentrazione di elettroni liberi lungo la colonna (per convenzione fissata in unità TECU, pari a 1016 elettroni per m2).
Esistono reti mondiali di ricevitori GNSS sparsi su tutto il globo terrestre alle quali contribuisce anche l’INGV con strumenti installati in Italia e in diverse regioni della Terra. Grazie a questi dati l’INGV è in grado di realizzare mappe in tempo reale del TEC presente nella ionosfera. Questi valori sono utilizzati per fare ricerca ma anche per supportare lo sviluppo di contromisure che mitighino gli effetti negativi che la ionosfera induce sui segnali.
Quando il Sole è particolarmente “attivo” possono innescarsi una serie di perturbazioni nello spazio che circonda la Terra e la variazione del TEC è un indicatore fondamentale del livello di disturbo.
Nella mappa è riportato un esempio di eventi di disturbo della ionosfera provocati da un innalzamento dell’attività solare. Nell’immagine, la scala di colore indica che le regioni in giallo o in arancione sono quelle in cui si registra una concentrazione più ricca di elettroni liberi e, quindi, una ionosfera più disturbata. Questo può implicare malfunzionamenti o interruzioni sia delle comunicazioni radio che del posizionamento satellitare.
Esempio di mappe di contenuto elettronico totale in caso di bassa e alta attività solare a confronto