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ionosfèra

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Descrizione generale

sf. [sec. XX; dal francese ionosphère]. Regione dell'atmosfera costituita da un insieme di strati d'aria ionizzati che si estende da una quota di 60-80 km nella mesosfera e nella termosfera. L'esistenza della ionosfera fu ipotizzata per la prima volta per spiegare le variazioni del campo magnetico terrestre e l'ipotesi fu confermata dalle esperienze di Marconi (1901) sulle trasmissioni di onde radio oltre Atlantico, che trovarono spiegazione solo ammettendo l'esistenza di uno strato atmosferico elettricamente conduttore con funzione di specchio riflettente per le onde elettromagnetiche. Tale strato fu effettivamente trovato a una quota di ca. 100 km (strato E) e in seguito, usando frequenze più elevate, si identificarono gli strati riflettenti superiori e inferiori. La ionizzazione atmosferica dipende soprattutto dall'azione, sui gas atmosferici, della radiazione solare ultravioletta e secondariamente dalle radiazioni X, γ e corpuscolari solari. L'intensità del fenomeno è in relazione con la quota, perché con questa variano sia la concentrazione e il tipo dei gas atmosferici sia l'intensità della radiazione, che è massima ad alta quota e minima presso il suolo. È stato dimostrato dagli studi di S. Chapman che per un certo gas atmosferico l'entità massima della ionizzazione, cioè la massima densità ionica ed elettronica, e la quota a cui essa si produce sono proporzionali all'altezza del Sole sull'orizzonte: tanto più alto è il Sole tanto maggiore è la ionizzazione e minima la quota. Nella ionosfera si determinano così delle variazioni regolari direttamente collegate ai cicli solari (diurno, annuo, undecennale), ma oltre a queste vi sono variazioni irregolari prodotte dai brillamenti solari, dalle eclissi, dalle tempeste magnetiche, dalle aurore polari, dal passaggio di meteoriti, ecc. La ionosfera è costituita da strati ionizzati ben delimitati: lo strato D, a un'altezza di 60-80 km dal suolo, è lo strato con la minima densità elettronica (ca. 104 elettroni/cm3), è riflettente per le onde lunghe e si osserva solo in ore diurne; lo strato E (o di Kennelly-Heaviside), situato a ca. 100 km d'altezza, ha una densità elettronica di 105 elettroni/cm3 ed è riflettente per le onde medie; come il precedente non è osservabile durante le ore notturne; lo strato F (o di Appleton), tra ca. 200 e 500 km di altezza e con una densità elettronica di ca. 106-107 elettroni/cm3, è osservabile anche durante la notte; nelle ore diurne si divide in due strati: F₁ a una quota sui 200 km e densità di ca. 106 elettroni/cm3, ed F₂ oltre 200 km con densità elettronica massima. Lo strato F (e in particolare la sua parte più alta) riflette le onde corte e cortissime e permette i collegamenti a grandi distanze .

Indagini relative alla ionosfera

Lo studio della ionosfera viene effettuato con le ionosonde, che da terra inviano onde radio ricevendone gli echi ionosferici, e con missili e satelliti appositamente attrezzati, che inviano le onde radio dallo spazio ricevendo gli echi dalle zone ionosferiche superiori. Un segnale radioelettrico di data frequenza, emesso verticalmente da terra, può penetrare nella ionosfera fino ad altezze che dipendono dalla frequenza impiegata: oltre tale altezza il segnale non può penetrare perché viene riflesso dallo strato. Si osserva però che, al di sopra di una determinata frequenza, lo strato diventa trasparente alla radiazione, ossia non è più in grado di riflettere il segnale: la frequenza per la quale cessa la riflessione è detta frequenza critica dello strato considerato. Il rapporto fra l'intervallo di tempo intercorrente dall'emissione del segnale alla ricezione dell'eco e la velocità della luce consente di definire l'altezza dello strato riflettente, altezza detta virtuale perché nella ionosfera le onde elettriche si propagano a velocità inferiore a quella nel vuoto; pertanto l'altezza reale degli strati riflettenti è minore. Sui diagrammi cartesiani degli ionogrammi, anziché gli intervalli di tempo, si preferisce riportare in ordinata le altezze virtuali, mentre in ascissa figurano i valori di frequenza in MHz. La reale distribuzione della ionizzazione si può ricostruire dagli ionogrammi con l'ausilio di calcolatori elettronici ricorrendo ad apposite relazioni che legano l'altezza virtuale, la frequenza critica e la densità elettronica. È opportuno precisare che in pratica, dato che la ionosfera, a causa del campo magnetico terrestre, diventa birifrangente per le onde elettriche, il segnale risulta sdoppiato in una componente ordinaria e una straordinaria, che si propagano a velocità diverse fino a che non sono riflesse da strati ad adatta densità elettronica: il ricevitore della ionosonda capterà quindi due echi e nel corrispondente ionogramma si potranno in generale rilevare, per ogni strato, due frequenze critiche. Una ricerca, iniziata dai fisici del British Antartic Survey di Cambridge nel 1958, ha portato nel 1998 a un sorprendente risultato: in quarant'anni la ionosfera si è abbassata di 8 km, anomalia preoccupante legata al processo di mutamento climatico. § L'azione fotodissociatrice, esercitata dalla radiazione penetrante del Sole (ultravioletto, radiazioni X) sulle molecole gassose, agisce anche nei confronti delle atmosfere planetarie alle quote superiori, destandovi strati ionosferici a densità elettronica variabile in funzione dello spessore dell'involucro aereo, della distanza eliocentrica e dello stato di attività del Sole. Le indagini espletate dalle sonde automatiche hanno accertato che, in questi casi, nelle magnetosfere dei pianeti s'instaura uno strato di discontinuità elettrica, la ionopausa, livello superiore delle ionosfere, che viene a funzionare da scudo nei confronti del vento solare, impedendo alle particelle cariche di provenienza esterna di pervenire direttamente al suolo. Pianeti come Venere, Marte, e i considerevoli mondi gassosi di Giove, Saturno, Urano e Nettuno hanno mostrato, senza eccezioni, la presenza di ionosfere e di ionopause.

Bibliografia

W. N. Hess, Introduction to Space Science, New York, 1965; C. O. Hines, I. Paghis, T. R. Harz, I. A. Fejer, a cura di, Physics of the Earth's upper Atmosphere, Englewood Cliffs, 1965; T. Yonezawa, Theory of the Formation of the Ionosphere, in “Space Science Review”, Dordrecht, 1966; K. Davies, Ionospheric Radio Propagation, New York, 1967; M. Petit, Termodinamique de l'ionosphère, Parigi, 1969.

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