La ionosfera terrestre
Panoramica – Notte – Giorno – Effetti dell’alba e del tramonto –
Flare solari – Fulmini – Campione Data
Panoramica
La ionosfera è definita come lo strato dell’atmosfera terrestre che è ionizzato dalla radiazione solare e cosmica. Si trova a 75-1000 km (46-621 miglia) sopra la Terra. (Il raggio della Terra è di 6370 km, quindi lo spessore della ionosfera è piuttosto piccolo rispetto alle dimensioni della Terra). A causa dell’alta energia proveniente dal Sole e dai raggi cosmici, gli atomi in questa zona sono stati spogliati di uno o più dei loro elettroni, o “ionizzati”, e sono quindi carichi positivamente. Gli elettroni ionizzati si comportano come particelle libere. L’atmosfera superiore del Sole, la corona, è molto calda e produce un flusso costante di plasma e raggi UV e X che escono dal Sole e influenzano, o ionizzano, la ionosfera terrestre. Solo la metà della ionosfera terrestre viene ionizzata dal Sole in qualsiasi momento.
Durante la notte, senza l’interferenza del Sole, i raggi cosmici ionizzano la ionosfera, anche se non così fortemente come il Sole. Questi raggi ad alta energia provengono da fonti in tutta la nostra galassia e nell’universo – stelle di neutroni rotanti, supernovae, radio galassie, quasar e buchi neri. Così la ionosfera è molto meno carica di notte, ed è per questo che molti effetti ionosferici sono più facili da individuare di notte – ci vuole un cambiamento più piccolo per notarli.
La ionosfera ha una grande importanza per noi perché, tra le altre funzioni, influenza la propagazione radio a luoghi lontani sulla Terra, e tra i satelliti e la Terra. Per le onde a bassissima frequenza (VLF) che i monitor meteorologici spaziali tracciano, la ionosfera e il suolo producono una “guida d’onda” attraverso la quale i segnali radio possono rimbalzare e farsi strada intorno alla Terra curva:
La ionosfera terrestre e il suolo formano una “guida d’onda” attraverso cui
i segnali radio VLF possono propagarsi o “rimbalzare” intorno alla Terra.
Immagine per gentile concessione di Morris Cohen, Stanford University
La ionosfera è composta da tre parti principali, chiamate per oscuri motivi storici: le regioni D, E e F. La densità di elettroni è più alta nella parte superiore, o regione F. La regione F esiste sia di giorno che di notte. Durante il giorno è ionizzata dalla radiazione solare, durante la notte dai raggi cosmici. La regione D scompare durante la notte rispetto al giorno, e la regione E si indebolisce.
L’atmosfera terrestre e la ionosfera
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Di notte
Di notte (immagine sotto, lato destro), la ionosfera ha solo gli strati F ed E. Un’onda VLF proveniente da un trasmettitore si riflette sugli ioni dello strato E e rimbalza indietro.
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Di giorno
Durante il giorno (immagine sopra, lato sinistro), i raggi X e la luce UV del Sole aumentano la ionizzazione della ionosfera, creando lo strato D e migliorando lo strato E, e dividendo la regione F in 2 strati. Lo strato D normalmente non è abbastanza denso da riflettere le onde radio. Tuttavia, lo strato E lo è, così i segnali VLF passano attraverso lo strato D, rimbalzano sullo strato E, e tornano giù attraverso lo strato D fino alla terra. I segnali perdono energia mentre penetrano attraverso lo strato D e quindi le radio ricevono segnali più deboli dal trasmettitore durante il giorno. Quando si verifica un’eruzione solare, anche lo strato D si ionizza, permettendo così ai segnali di rimbalzare su di esso.
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Effetti dell’alba e del tramonto
L’altezza di riflessione delle onde VLF cambia da circa 70 km di giorno a circa 85 km di notte (44-53 miglia). Durante l’alba, la luce del sole colpisce la ionosfera prima della terra, e al tramonto la luce continua a colpire la ionosfera dopo che il sole è tramontato sopra la terra. La quantità di tempo che il sole impiega per ionizzare la ionosfera una volta che la colpisce è praticamente istantanea.
Così all’alba e al tramonto, il segnale che il tuo monitor SID raccoglie è fondamentalmente l’effetto delle onde VLF che rimbalzano sulla ionosfera lungo tutto il percorso dal trasmettitore al ricevitore, che potrebbe essere diverse migliaia di chilometri. Cioè, il monitor raccoglie questo processo di cambiamento delle condizioni come la luce del sole spazia sul percorso tra il trasmettitore e il ricevitore. La lunghezza dell’effetto dipende dalla separazione longitudinale tra i due siti (perché il terminatore dell’alba/tramonto impiega più tempo a percorrere il percorso). Quindi, se si guardano principalmente i percorsi nord/sud tra trasmettitore e ricevitore, i dati mostreranno un “giorno” ben definito e una notte ben definita, con una transizione piuttosto rapida. Per percorsi molto distanti in longitudine, invece, l’effetto alba/tramonto dura molto più a lungo e non presenta cambiamenti così rapidi. Anche la latitudine contribuisce, dato che il giorno equatoriale ha la stessa lunghezza, ma le ore del giorno alle latitudini più alte hanno una durata altamente stagionale.
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Flash solari
I brillamenti solari ripresi dal satellite TRACE.
Foto per gentile concessione della NASA.
Quando si verifica un brillamento solare, l’energia dei raggi X del brillamento aumenta la ionizzazione di tutti gli strati, compreso il D. Così il D diventa ora abbastanza forte da riflettere le onde radio ad una quota inferiore. Quindi, durante un brillamento solare, le onde viaggiano meno lontano (rimbalzando su D invece che su E o F). La forza del segnale di solito aumenta perché le onde non perdono energia penetrando lo strato D. Tuttavia, la forza delle onde VLF durante un flare può aumentare o diminuire. La forza del segnale potrebbe diminuire perché più le onde riflettono in basso, più collisioni, o interferenze di onde, ci saranno a causa dell’atmosfera più spessa. Queste collisioni di onde possono provocare un’interferenza distruttiva, come si vede nel diagramma qui sotto:
Imagine da New Worlds, http://newworlds.colorado.edu/starshade/
In effetti, le collisioni vicino all’altezza di riflessione sono il meccanismo primario di smorzamento delle onde VLF. Tuttavia ci sono altri fattori per cui non tutti i disturbi si traducono in una diminuzione. Non appena i raggi X finiscono, il disturbo ionosferico improvviso (SID) termina poiché gli elettroni nella regione D si ricombinano rapidamente e l’intensità del segnale torna alla normalità.
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Lightning
Durante il giorno, la ionizzazione del Sole generalmente sovrasta qualsiasi effetto dei fulmini. Tuttavia, durante la notte, le tempeste di fulmini possono ionizzare la ionosfera e quindi cambiare il punto in cui le onde radio rimbalzano.
Foto dalla NOAA Photo Library.
Se vedi un sacco di “ondulazioni” nei tuoi dati durante la notte, le onde radio stanno probabilmente rispondendo a un temporale da qualche parte tra il tuo sito e il trasmettitore. Controllando i bollettini meteorologici e confrontando i tuoi dati con quelli di altre località, a volte puoi rintracciare dove sono state queste tempeste!
Stormy Night of SID Data
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Dati campione
Guarda i dati campione del monitor SID da WSO a Palo Alto, California, USA. Monitoraggio del trasmettitore NAA a Cutler, Maine, USA
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