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PRIN 2012 - Accademia della Crusca
Quando nel
È noto a tutti che le scoperte di
Nelle discussioni teoriche sulle modalità della trasmissione delle radioonde
tra due stazioni lontane era stato, infatti. omesso un fattore che è
risultato in seguito di importanza fondamentale: e cioè l'influenza che gli
altissimi strati dell’atmosfera grazie al loro· stato di ionizzazione,
esercitano sulla propagazione delle onde elettromagnetiche. Che un possibile
stato di ionizzazione dell'alta atmosfera potesse avete una. influenza sopra
certi fenomeni. geomagnetici era stato supposto molti anni prima delle
scoperte di
Non è questo il luogo per ricordare le innumerevoli ricerche e discussioni di carattere sia teorico che pratico, che si sono sviluppate in seguito alle prime esperienze fondamentali sulle radiotrasmissioni; mi limiterò, invece, a riassumere nelle linee generali quelli che oggi possono considerarsi risultati acquisti sulle proprietà di ionizzazione dell'alta atmosfera, (la così detta jonosfera) e sulla sua influenza sopra la propagazione delle radioonde.
Una considerazione elementare dimostra che vi è una semplice relazione tra l’indice di rifrazione di un gas ionizzato per le onde elettromagnetiche e la densità degli ioni in esso contenuti. La relazione è la seguente:
dove n rappresenta l'indice di rifrazione; e ed m rispettivamente la
carica elettrica e la massa degli ioni presenti nel gas; v la frequenza delle onde in esame; N il numero di ioni per unità
di volume.
Dalla ispezione della formula si riconosce:
a) che l'indice di rifrazione è minore di I, ossia che
lo stato di ionizzazione determina un abbassamento della rifrangibilità.
Come conseguenza la radiazione elettromagnetica che, provenendo dalla bassa
atmosfera, entra nella ionosfera può subire una riflessione totale venendo
così respinta verso la terra. È appunto questa la proprietà fondamentale che
si deve attribuire alla ionosfera per spiegare la sua influenza sulla
propagazione delle onde a grandi di distanze;
b) che, a parità di altre condizioni, l’effetto di una
determinata quantità di ioni è tanto maggiore quanto più piccola è la loro
massa, esso sarà quindi assai più notevole se il gas ionizzato contiene
elettroni liberi, che non se essi sono legati sotto forma di ioni atomici o
molecolari, di massa molto maggiore. La estrema rarefazione della altissima
atmosfera. oltre cento chilometri di altezza, rende d'altra parte probabile
che elettroni liberi, una volta formatisi, vi possano rimanere per un tempo
relativamente lungo. Per questo, e più ancora per la verificazione diretta
fatta in base alla azione che il campo magnetico terrestre esercita sulla
rifrazione delle radioonde, deve ritenersi che, almeno nei più alti strati
della atmosfera, le onde si rifrangano per effetto prevalente degli
elettroni liberi;
c) la radiazione elettromagnetica, che si propaga
verticalmente verso l’alto, subirà una riflessione totale raggiungendo uno
strato della atmosfera in cui la densità della ionizzazione sia tanto
elevata da rendere eguale a 0 l’indice di rifrazione. Si riconosce, dalla
formula (I), che si verificherà quando si abbia:
e cioè per esempio una onda di 1000 m. di lunghezza si rifletterà totalmente
incontrando uno strato in cui la concentrazione degli elettroni sia di 1100
per centimetro cubo. Per riflettere una onda di 100 m di lunghezza
occorreranno invece 110.000 elettroni per cm2, mentre
per una onda di 10 m. di lunghezza ne occorrerebbero 11.000.000.
Così per esempio se in determinate condizioni la massima concentrazione degli
elettroni nella verticale al di sopra di una stazione fosse di 110.000 per
cm2, le onde elettromagnetiche aventi lunghezza
d'onda eguale o maggiore di 100 m verrebbero riflesse totalmente verso il
basso; mentre onde di lunghezza d'onda minore non subirebbero riflessione;
si comprende da ciò come l’esame delle riflessioni di onde inviate verso
l’alto, in dipendenza dalla loro frequenza, possa permettere di determinare
la concentrazione degli elettroni negli strati che determinano la
riflessione; si può anche del resto determinare l'altezza di questi strati
misurando il tempo che intercorre tra la emissione delle onde e l'arrivo
delle onde riflesse e c'he è dell'ordine di grandezza di un millesimo di
secondo.
Da vari anni vengono eseguite sistematicamente osservazioni di questo genere
in molti osservatori; esse furono iniziate in America da
L'osservazione sistematica di tali riflessioni ha permesso di concludere che esistono nella atmosfera diversi strati ionizzati che vengono usualmente indicati con le lettere dell’alfabeto. I più notevoli sono lo strato E ad una altezza di circa 100 km. al di sopra del suolo e lo strato F, spesso diviso a sua volta in due strati F1 e F2, ad altezze tra i 180 e i 300 km.
La. densità della ionizzazione in questi strati arriva, come ordine di
grandezza, fino a circa 1.000.000 di elettroni per cm3;
essa varia moltissimo dal giorno alla notte ed è tanto più intensa di regola
quanto più alto è il Sole sull'orizzonte. Ciò indica l’origine solare
dell'agente ionizzante, che si ritiene essere in principale misura la
porzione ultravioletta della radiazione solare che non raggiunge la
superficie della Terra appunto perché assorbita dall'alta atmosfera. Vi sono
però varie esperienze che fanno sospettare che i raggi ultravioletti solari
non siano gli unici agenti ionizzanti e che possano forse avere importanza
anche radiazioni crepuscolari provenienti dal Sole. Deve anche notarsi la
dipendenza della ionizzazione atmosferica dai cicli di attività solare: la
ionizzazione è di regola massima nei periodi di massima attività solare, pur
non essendo stata riconosciuta alcuna diretta dipendenza tra la ionizzazione
e il passaggio di determinati gruppi di macchie solari al meridiano solare
rivolto versò la Terra.
Sono infine estremamente appariscenti le relazioni tra la ionizzazione
atmosferica e quegli stessi fenomeni solari che dànno origine alle tempeste
magnetiche e alle aurore boreali. In casi particolari
le perturbazioni della ionizzazione atmosferica che accompagnano le tempeste
magnetiche raggiungono valori così grandi da interrompere praticamente le
comunicazioni radiotelegrafiche su regioni assai vaste.
La presenza di elettroni o ioni nella atmosfera non produce soltanto una variazione dell'indice di rifrazione per le onde e1ettromagnetiche, ma determina anche in genere un assorbimento di esse. Tale assorbimento è prodotto dal fatto che gli elettroni, messi in moto oscillatorio dal campo elettrico dell’onda elettromagnetica, subiscono ogni tanto degli urti contro le molecole dell’aria, trasferendo ad esse una parte della loro energia, che viene trasmutata in calore. Si comprende da ciò come, a parità di altre condizioni l'assorbimento sia tanto più intenso quanto più frequenti sono gli urti che subiscono gli elettroni e cioè quanto più elevata è la densità della atmosfera attraverso alla quale l’onda si propaga. Per conseguenza l’assorbimento ha luogo in misura tanto maggiore quanto più bassi sono gli strati ionizzati mentre è praticamente trascurabile negli altissimi strati della atmosfera.
Accenneremo infine al notevole effetto esercitato dal campo magnetico
terreste sulla rifrazione delle onde elettromagnetiche. Gli elettroni liberi
degli alti strati ionizzati per effetto del campo magnetico terrestre,
invece di muoversi in linea retta tra un urto e un altro, tendono a
descrivere delle spirali attorno alle linee di forza magnetiche girando
attorno ad esse con una frequenza che risulta proporzionale alla intensità
del campo magnetico. A causa di questa frequenza propria degli elettroni,
hanno luogo dei fenomeni di risonanza per cui la rifrazione delle onde
elettromagnetiche presenta delle anomalie, quando la frequenza dell'onda è
vicina alla frequenza propria degli elettroni. Le lunghezze d’onda per le
quali hanno luogo queste specie di risonanze
CONCLUSIONE.
Io spero di avere mostrato con questi brevi cenni quanto sia vasto ed
interessante il campo che lo studio della propagazione delle onde
elettromagnetiche nell'alta atmosfera, originato dalle prove di