Fenomeni ionosferici

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La ionosfera

L'ambiente dove si disperdono i segnali radio su media e grande scala è ben diverso dallo spazio libero in quanto i fenomeni di ionizzazione che si manifestano a varie altezze nell'atmosfera terrestre influenzano pesantemente le modalità e le caratteristiche della radiopropagazione. Conoscere la struttura dell'atmosfera significa pertanto comprendere i diversi aspetti che legano i fenomeni fisici che qui avvengono con i modi di propagazione che si ha modo di riscontrare. L'atmosfera viene divisa in relazione all'altitudine in diverse regioni, la troposfera che si estende tra la superficie e circa 10 km è la parte responsabile di tutti i fenomeni atmosferici che determinano le condizioni meteorologiche, tra 10 e 50 km si estende la stratosfera dove lo strato di ozono raggiunge la massima densità assorbendo i raggi ultravioletti emessi dal Sole. A partire dai 50 km e fino a circa i 650 km vi è la ionosfera, la parte più importante per i sui effetti sui segnali radio. In questa regione la radiazione ultravioletta ed X del Sole ionizza i gas presenti creando una zona dove gli ioni liberi, cioè particelle elettricamente cariche, sono in relativa abbondanza. La ionosfera non è omogenea, viene pertanto suddivisa in strati, si veda la figura 1, in relazione alla concentrazione degli ioni ed alla dinamica che ne caratterizza il comportamento:

[Figura 1]
La ionosfera, parte tra 50~650 km, viene suddivisa in strati convenzionalmente identificati da una lettera. Tale nomenclatura è progressiva, lo strado D è il più vicino alla superficie terrestre, lo strato E si trova più in alto, e così via

Le zone ionosferiche sono responsabili con il loro indice rifrattivo della curvatura dei segnali radio incidenti che in questo modo vengono rinviati verso il suolo ad una distanza che la curvatura terrestre altrimenti non consentirebbe di raggiungere per via diretta. A tutti gli effetti questo processo è assimilabile alla riflessione e per quantificarne la bontà come specchio in ambito radio si usa indicarne due parametri:

  • Frequenza critica
    Si tratta della più alta frequenza che può venire riflessa usando un angolo di incidenza verticale, ovvero con il segnale che dal suolo si propaga direttamente verso l'alto. Oltre questo valore di frequenza i segnali si disperdono nello spazio.
     

  • Massima frequenza usabile (MUF)
    Si tratta della più alta frequenza che può venire riflessa usando un basso angolo di incidenza, diciamo prossimo all'orizzontale. Si registra in questo caso la capacità da parte della ionosfera di riflettere anche segnali con frequenza superiore alla frequenza critica. Il termine MUF indica in sigla Maximum Usable Frequency.

Ogni strato si caratterizza in relazione a questi due parametri in modo diverso, la tabella ne riporta il valore tipico così da quantificarne a livello semplificato il comportamento - le condizioni ionosferiche difatti cambiano nel tempo:

Strato
Frequenza critica
(tipico valore massimo)
MUF
(tipico valore massimo)
D
Presente solo in ore diurne, responsabile nell'assorbire le frequenze basse
E
4 MHz
5 ~ 20 MHz
Es
30 MHz
20 ~ 200 MHz
F
6 MHz
6 ~ 60 MHz

Due osservazioni si impongono per quanto concerne l'interesse del radioascolto tramite scanner. La frequenza critica essendo sempre inferiore a 30 MHz non gioca praticamente alcun ruolo nella propagazione delle onde elettromagnetiche se non, talvolta, ai limiti estremi della banda HF. Nel concreto con una incidenza verticale i segnali non vengono riflessi a terra. Per un basso angolo di incidenza invece, di tipo radente, la situazione muta. Lo strato Es (E sporadico) può risultare un discreto specchio per riflettere i segnali anche in una porzione delle VHF, lo stesso può avvenire nello strato F sebbene per un intervallo più limitato di frequenze VHF. Dunque la ionosfera condiziona in parte le ricezioni VHF, molto meno quelle UHF, con diversi fenomeni riconducibili alla riflessione dei segnali. L'ascolto di stazioni lontane, ciò che permette di captare trasmissioni originate ben oltre i confini nazionali, è possibile oltre i 30 MHz grazie soprattutto all'azione dello strato Es.

Propagazione via E-sporadico

Lo strato E-sporadico (indicato anche con la sigla Es) è un fenomeno che si presenta nella ionosfera in concentrazioni di nubi sottili ad alta densità di ionizzazione e di superficie limitata. In queste formazioni abbastanza comuni nel periodo tra Maggio ed Ottobre, ma comunque possibili in ogni periodo dell'anno, la frequenza critica è più alta di quella che si riscontra nello strato E normale potendo raggiungere valori che crescendo con l'abbassarsi dell'angolo di riflessione toccano i 200 MHz, dunque ben entro la banda VHF. Il meccanismo responsabile della formazione nella regione E di tale evento ha un andamento imprevedibile e irregolare per quanto riguarda i tempi ed i modi in cui si manifesta, da questo il nome di sporadico. Quando si verificano queste condizioni sono possibili collegamenti fino a distanze sull'ordine dei 2000 km con possibilità che sono inversamente proporzionali alla frequenza, se cioè gli eventi Es sono ad esempio riscontrabili con relativa facilità sui 30 MHz lo sono molto di meno sui 50 MHz per diventare una rarità sui 144 MHz. Bande queste dei radioamatori che sperimentano con continuità i collegamenti a lunga distanza (DX).

Le condizioni ambientali più adatte affinchè si verifichino eventi di questo tipo sembrano essere un'area di bassa pressione che venga a trovarsi fra due fronti freddi, a tali situazioni corrisponderebbero venti vorticosi nell'alta atmosfera che soffiando contemporaneamente in direzioni opposte, con piccole differenze di quota, darebbero luogo ad agglomerati sottili di cariche elettriche con valori di densità superiori alla media. Non si può prescindere comunque dall'attività di ionizzazione della radiazione solare che è un elemento la cui presenza è indispensabile, motivo per il quale le manifestazioni di E-sporadico si concentrano nell'arco diurno fino al tramonto. Le comunicazioni che si avvalgono di questo tipo di propagazione avvengono comunemente su medie distanze, normalmente superiori ai 500 km, e avendo come riferimento il nostro Paese coinvolgono solitamente la parte centro - nord europea. I segnali più frequenti giungono ad esempio dalla Francia.

Il monitoraggio di emissioni che arrivano a noi tramite Es risulta caratterizzato da una variabilità nel tempo come risultato dell'evolversi del fenomeno. Una comunicazione in tali condizioni può durare da pochi minuti ad alcune ore e spesso si rivela selettiva nei confronti delle località interessate al contatto. Per consentirvi di visualizzare mentalmente il fenomeno E-sporadico pensate ad un'area riflettente di modesta estensione, ma molto efficiente, che si crea a metà strada tra voi ed i segnali che riuscite a ricevere. Quando con uno scanner ascoltate un CB dall'Irlanda sui 27 MHz oppure una stazione del servizio autostradale francese sui 35 MHz l'area Es risulta attiva grossomodo nel punto mediano del percorso. Altra importante peculiarità di questo modo propagativo concerne l'intensità dei segnali, per la gran parte sono di forte livello e ciò permette di sperimentare alcuni ascolti pure disponendo di una stazione radio (scanner ed antenna) di scarse prestazioni.

Propagazione via anomalia trans-equatoriale

Questo fenomeno propagativo è peculiare, non si presenta di frequente ma permette collegamenti radio su distanze molto lunghe. Introduciamo i concetti fisici che ne condizionano l'apparire: la pressione della radiazione solare comprime i gas presenti nell'alta atmosfera terrestre, questo effetto si manifesta pertanto solamente nel lato illuminato del pianeta con la conseguenza che la ionosfera che circonda il globo si presenta con diverse caratteristiche in relazione all'incidenza della radiazione solare. Nella sua rotazione la terra fa in modo che la parte illuminata si sposti verso Ovest, con un associato aumento di pressione a causa del fenomeno descritto, mentre lasciando nell'oscurità la parte Est causa una depressione per l'avvenuta mancanza della radiazione. La massima variazione che si registra nella ionosfera la si ha al tramonto nella fascia ove giace il terminatore ovvero la zona di transizione tra luce e buio, questo è causa del particolare comportamento che si verifica nella ionosfera, specificatamente nello strato F, immediatamente dopo il tramonto su un determinato meridiano. Si ricorda che il meridiano è la linea che congiunge i poli e che nelle convenzioni adottate nelle carte geografiche è disposta verticalmente.

In situazioni di quiete del campo magnetico terrestre all'interno di una ampia regione attorno all'equatore magnetico le linee di forza del campo sono praticamente parallele al suolo e a causa del moto turbolento dei gas ionizzati vengono a formarsi delle concentrazioni a forma tubolare allineate secondo il campo magnetico nella direttrice Nord-Sud. In queste condizioni nella direzione citata vi sono delle variazioni dell'indice di rifrazione che allorquando l'attività solare è superiore alla norma fanno in modo che queste concentrazioni anomale si comportino per i segnali radio come una gigantesca guida d'onda in grado di convogliare i segnali dagli emisferi Nord e Sud per tratte fino a circa 4000 km con una attenuazione contenuta. La frequenza massima per la quale questi condotti sono utilizzabili come guide per i collegamenti lungo i meridiani è solitamente limitata alla parte alta delle HF o all'inizio delle VHF (oltre i 25 MHz dunque) mentre condizioni eccezionali nell'attività solare possono portare la massima frequenza utile sull'ordine dei 150 MHz. Questi fenomeni vengono infatti sfruttati dai radioamatori in banda 144 MHz per comunicare dall'Europa al Sud Africa.

Va osservato che perchè i condotti si concretizzino in guide d'onda è necessaria oltre ad una elevata ionizzazione dello strato F la presenza del campo geomagnetico in condizioni di quiete, i momenti migliori dell'anno per questo tipo di propagazione si hanno intorno agli equinozi di Autunno e Primavera.

Propagazione via cortine aurorali

Il sole fa giungere fino a noi una grande quantità di particelle elettricamente cariche in forma di plasma, questo è il vento solare che giungendo nelle vicinanze della terra ne deforma il campo magnetico. Una parte di queste particelle convogliate dalle linee di forza del campo finiscono in modo indiretto con il raggiungere la ionosfera attorno ai poli geomagnetici che per il nostro emisfero è la verticale della Groenlandia sulle coordinate di circa 78,5° Nord e 69° Ovest. La maggiore densità di ionizzazione si ha in una zona a forma di toro (ovvero a ciambella) centrata su questo punto che nei normali periodi di attività si estende in larghezza tra i 67° ed i 75° di latitudine geomagnetica con una maggiore estensione dal lato non illuminato del pianeta. Queste sono le cortine aurorali responsabili nel visibile del conosciuto fenomeno delle aurore che tanto rendono spettacolare il cielo dei paesi nordici in alcune notti dell'anno. In occasione di una particolare attività solare si ha una maggiore ionizzazione di queste fasce della ionosfera, con un allargamento verso Sud causa di un aumento della densità di particelle cariche a valori tali da consentire riflessioni di segnali radio sull'intera banda VHF ed in parte di quella UHF fino a circa 500 MHz. Tali riflessioni di tipo diffuso avvengono ad una quota comparabile con quella dello strato E, in casi eccezionali la presenza delle cortine aurorali consente a stazioni italiane di ascoltare o comunicare con una regione a medie latitudini europee nella fascia che unisce la Francia alla Russia.

Il modo propagativo via cortine aurorali ha notevoli potenzialità, tuttavia è da rimarcare che l'intensità dei segnali è tipicamente di basso livello, affinchè se ne possa sfruttare le aperture si deve disporre di un apparato di buona sensibilità connesso ad una antenna direttiva di medio guadagno come può essere una Yagi, l'angolo d'incidenza deve inoltre essere prossimo allo zero ovvero radente l'orizzonte. Per quanto detto sono i radioamatori che riescono a gestire al meglio tali condizioni con antenne specifiche per la banda operativa nonchè modi (modulazione SSB con larghezza di banda di poco oltre 2 KHz) che offrono un rapporto segnale/rumore più vantaggioso. Quanti invece sono attivi con ascolti casuali tramite uno scanner e ricercano, ad esempio, comunicazioni di ponti radio civili (modulazione FM con larghezza di banda sui 15 KHz) avranno poche occasioni per riconoscere che è in atto una riflessione via cortine aurorali.

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