La ionosfera sulla Terra piatta

Articolo n. 171

Abbiamo parlato più volte di Terra, ionosfera, fasce di Van Allen e duomo come di parti che partecipano ad un enorme condensatore elettrico in cui ci sono parti conduttrici attive elettricamente e parti isolanti passive come potrebbe essere l’atmosfera in cui viviamo. Andiamo a considerare più nel dettaglio alcune di queste componenti in modo da capire meglio il loro ruolo nella vita elettrica della Terra.

Andremo a parlare, in questo articolo, della ionosfera. La ionosfera è una parte conduttiva che va a costituire con la Terra un condensatore in cui il dielettrico è la parte di atmosfera compresa tra ionosfera e Terra. Ionosfera e Terra sono conduttive mentre l’atmosfera (troposfera) è isolante. Si forma quindi un condensatore costituito da due piastre conduttive frammezzate da uno strato isolante. Questo condensatore è compreso all’interno del più grande condensatore costituito da duomo e Terra.

Tesla aveva capito le caratteristiche conduttive della ionosfera e intendeva utilizzarle come canale guida per la trasmissione di energia. Egli intendeva utilizzare le capacità risonanti della cavità che si viene a generare tra ionosfera e Terra. Andare a considerare il modo di vibrare libero di questa cavità e cioè la risonanza di Schumann, una vera e propria pulsazione elettromagnetica della Terra, ci permetterà di capire alcune caratteristiche dell’evoluzione elettromagnetica della Terra. Parte del materiale trattato in questo articolo è tratto da Wikipedia alla voce “ionosfera”.

La ionosfera è una fascia dell’atmosfera che va dai 60 ai 1000 km e comprende quindi più strati dell’atmosfera come la mesosfera e la termosfera. Nella ionosfera il gas atmosferico viene ionizzato dalle radiazioni del sole e, in misura minore, dai raggi cosmici. I raggi cosmici sono dovuti alle cariche elettrostatiche, generate per induzione, presenti sul duomo.

Il fatto che la ionosfera sia ionizzata significa che le sue particelle sono ioni e elettroni liberi, cioè particelle positive e negative che danno una carica totale neutra. Questo viene causato da collisioni tra particelle o assorbimento di radiazioni. Nella pratica dunque agli atomi costituenti l’atmosfera viene tolto un elettrone e questo può avvenire se gli si fornisce una quantità di energia minima detta energia di ionizzazione. Questa varia a seconda dell’atomo.

La ionosfera è composta da diversi strati aventi proprietà elettriche differenti ed è particolarmente rarefatta, contenendo appena l’1% della massa gassosa complessiva dell’atmosfera. La temperatura diurna varia tra i 200K degli strati più interni ai 1500K degli strati più alti. le proprietà elettriche della ionosfera variano molto tra giorno e notte.

Il plasma costituente la ionosfera ha proprietà ottiche di rifrazione e riflessione diverse rispetto all’atmosfera. Questo ha un ruolo importante nelle applicazioni radio. Un’onda a radiofrequenza incidente sulla ionosfera può infatti essere completamente riflessa. L’atmosfera generalmente ha variazioni di indice di rifrazione troppo piccole per generare riflessione. La riflessione delle onde radio da parte della ionosfera si comporta come un filtro passabasso. La propagazione per riflessione ionosferica delle onde radio è infatti efficiente fino a frequenze di 30 MHz.

Si riporta di seguito la trattazione matematica dell’ottica relativa alla ionosfera con analisi della frequenza critica oltre alla quale non c’è riflessione.

Facciamo una veloce trattazione matematica del fenomeno.  Consideriamo un’onda radio che si propaghi con un’angolo di elevazione ϕ. Per la legge di Snell si ha che per la riflessione si avrà

cosϕ>n essendo n l’indice di rifrazione dello strato ionosferico.

L’indice di rifrazione del plasma dipende dal numero di cariche elettriche presenti per unità di volume N.

dove m è la massa dell’elettrone, e è la carica dell’elettrone e ε0 è la costante dielettrica del vuoto. Si può riscrivere la relazione precedente come:

da cui si ottiene l’angolo ϕ massimo per cui avviene la riflessione totale:

dove fc è detta frequenza critica e vale circa fc=9√N.

Il dominio delle frequenze viene diviso dunque in due parti.

-per frequenze inferiori alla frequenza critica, si ha riflessione qualunque sia l’angolo di incidenza, in quanto n si annulla;

-per frequenze superiori alla frequenza critica, la riflessione avviene solo sotto un certo angolo di incidenza, che dipende dalla frequenza. Anche utilizzando un angolo di elevazione molto basso, l’orizzonte reale della terra piatta non permette di scendere al di sotto di un certo valore. Questo significa che la propagazione ionosferica non ha mai luogo a frequenze maggiori di 3,5 volte la frequenza critica. Per lo strato di ionosfera maggiormente ionizzato questo valore limite vale circa 30MHz. Per andare oltre si utilizzano i ripetitori.

Già abbiamo parlato dell’influenza della ionosfera sulla luce che arriva dal sole e dalle stelle e sul suo effetto rifrattivo. Ulteriori analisi ci consentiranno di capire meglio il meccanismo con cui essa interviene nel creare il campo elettromagnetico terrestre.

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