MENU DI NAVIGAZIONE:

Monitoraggio dei Campi EM Naturali

Nelle bande ULF-ELF-VLF-LF (0.001 Hz - 100 kHz)

Di Paolo Palangio

6. Sorgenti elettromagnetiche

Le sorgenti elettromagnetiche, dal punto di vista dell'estensione spaziale possono essere classificate in:

  • dipoli elementari puntiformi;
  • dipoli elementari estesi;
  • multipoli ibridi estesi;
  • multipoli ibridi puntiformi.

Queste sorgenti, dal punto di vista della natura intrinseca possono essere:

  • magnetici;
  • elettrici;
  • ibridi.

Dal punto di vista spettrale:

  • sorgenti termiche;
  • sorgenti colorate;
  • sorgenti complesse.

Dal punto di vista statistico:

  • gaussiane;
  • isotrope;
  • stazionarie;
  • impulsive;
  • omogenee;

In natura possono presentarsi combinazioni varie di tutte queste schematizzazioni.
Inoltre una data sorgente osservata in punti diversi può manifestare proprietà completamente differenti.
Vi sono anche sorgenti magnetiche non irradianti o quasi (QNR), molto diffuse in natura, in cui il campo magnetico rimane confinato nel volume della sorgente, tipico esempio sono le sorgenti toroidali (sorgenti dinamo nella magnetosfera, nella ionosfera e nel nucleo terrestre). Le sorgenti estese complesse in generale possiedono quasi sempre una componente toroidale. Queste componenti non sono accessibili mediante misure effettuate lontano dalla sorgente, nel senso che non è possibile determinare il bilancio energetico del sistema attraverso misure esterne al sistema. In realtà ciò che si misura sono soltanto le componenti poloidali delle sorgenti. Queste componenti, nel caso di sorgenti molto estese, di dimensioni maggiori della lunghezza d'onda dominante, producono campi elettrici e magnetici la cui lunghezza di correlazione spaziale e temporale riflette le proprietà di coerenza della sorgente legate ai processi di genesi dei campi.
Nella zona reattiva si riesce quasi sempre a trovare il legame tra la coerenza spaziale e temporale dei campi misurati e la coerenza spaziale e temporale del sistema di correnti che generano tali campi.
Infine vi sono sorgenti naturali le quali vengono attivate da segnali artificiali. Spesso uno stesso segnale artificiale si manifesta in due bande di frequenza completamente diverse e distanti tra di loro (figura 1 e figura 2). I segnali relativi alle due bande risultano provenire da direzioni opposte: la superficie terrestre e la ionosfera. Ad esempio i grandi sistemi di trasmissione e di trasformazione dell'energia elettrica possono dare luogo a fenomeni di risonanza locale nella magnetosfera producendo segnali di origine magnetosferica caratterizzati da righe spettrali distanziate di 100 Hz (figura 2).

FIGURA 1 Armoniche prodotte dalla rete di distribuzione dell'energia elettrica Armoniche prodotte dalla rete di distribuzione dell'energia elettrica

FIGURA 2 Armoniche di rete che hanno interagito con il plasma magnetosferico Armoniche di rete che hanno interagito con il plasma magnetosferico

Le armoniche dei 50 Hz penetrano nella ionosfera e si propagano nella magnetosfera fino a giungere nella plasmasfera equatoriale, seguendo le linee di forza del campo magnetico terrestre, dove subiscono un processo di amplificazione. Questi segnali appaiono, all'osservatore a terra, essere emessi da una superficie molto ampia che è costituita dal bordo inferiore della ionosfera. L'impedenza d'onda dei segnali misurati riflette le proprietà di tale superficie, questa risulta essere molto più bassa dell'impedenza del vuoto.
I segnali che giungono in tale zona devono superare il livello di soglia al di sopra della quale si innescano i processi di risonanza ciclotronica onda-particella che è di circa 2 pT.
Le righe spettrali dei segnali magnetosferici differiscono da quelli terrestri per la larghezza delle righe: mentre le armoniche terrestri presentano una larghezza di pochi Hz, quelle di origine magnetosferica sono caratterizzate da un un allargamento di 20-60 Hz (figura 2). Un altro esempio sono le emittenti HF di grande potenza che possono eccitare, nella bassa ionosfera, segnali nella banda ELF/VLF mediante il riscaldamento locale del plasma. I transienti nei grandi sistemi di potenza possono stimolare la magnetosfera e la ionosfera producendo tutta una serie di fenomeni di risonanza onda-particella, oltre ad eccitare i modi di risonanza della cavità Terra-ionosfera.
Il campo elettromagnetico emesso da una sorgente attiva o scatterato da un oggetto passivo è sempre caratterizzato dal campo di propagazione e dal campo induttivo. Il campo evanescente lo si osserva nelle immediate vicinanze della sorgente, il campo di propagazione si osserva lontano dalla sorgente;
lontano e vicini è in relazione con la lunghezza d'onda che si considera e con la dimensione della sorgente. Vi è anche da considerare la lunghezza di coerenza della sorgente. In queste testo si assume il caso più semplice in cui la lunghezza di coerenza coincide con la dimensione della sorgente. Il campo vicino contiene utili informazioni sulla natura della sorgente. Come interpretare le informazioni ottenute con la misura del campo prossimale è una questione piuttosto complessa ed è uno dei temi che verranno sviluppati in questo progetto.
E' usuale considerare lo spazio intorno alla sorgente elettromagnetica suddiviso in 4 regioni in funzione della distanza sorgente-osservatore d e della dimensione della sorgente D:

  1. - zona prossimale (campo reattivo)
  2. - zona di Fresnel 1
  3. - zona di Fresnel 2
  4. - zona di Fraunhofer

Nella regione 1 non si ha irradiazione (l'energia rimane localizzata nell'intorno della sorgente), il vettore di Poynting è immaginario in quanto E e H sono in opposizione di fase e si attenua con l'inverso della quinta potenza della distanza; in realtà vi è sempre una piccola componente reale. Questo piccolo contributo reale ci consente di vedere le sorgenti da lontano. La configurazione spaziale della perturbazione elettromagnetica è estremamente complessa e dipende essenzialmente dalle caratteristiche della sorgente. L'energia all'interno della sfera di raggio viene mutuamente scambiata con la sorgente. Sorgente e spazio circostante risultano permanentemente accoppiati (figura 3 e figura 4). L'impedenza d'onda è un tensore complesso.

FIGURA 3 Schematizzazione dello spazio che circonda una sorgente elettromagnetica di estensione D da cui inizia la zona reattiva, a seguire vi è la zona di Fresnel 1 e Fresnel 2 e, in ultimo, troviamo la zona di Fraunhofer o radiativa Schematizzazione dello spazio che circonda una sorgente elettromagnetica di estensione D da cui inizia la zona reattiva, a seguire vi è la zona di Fresnel 1 e Fresnel 2 e, in ultimo, troviamo la zona di Fraunhofer o radiativa

FIGURA 4 Fase dei campi E e H per un dipolo elementare esteso Fase dei campi E e H per un dipolo elementare esteso

La natura del campo è sostanzialmente capacitiva nel caso in cui la struttura radiante possegga le caratteristiche del dipolo elettrico, viceversa è sostanzialmente induttiva quando la struttura radiante è assimilabile ad un dipolo magnetico. Se l'antenna è assimilabile ad un dipolo elettrico si ha:

E / H > 377 W

con il campo elettrico che decresce con il cubo della distanza, mentre il campo magnetico decresce con il quadrato della distanza. Se l'antenna è assimilabile ad un dipolo magnetico si ha:

E / H < 377 W

con gli andamenti dei campi che sono invertiti rispetto al caso precedente.

Nella regione 2 la componente immaginaria di P è maggiore della componente reale, P si attenua con l'inverso della quarta potenza della distanza. L'impedenza d'onda non è ancora definibile. Tale regione si estende fino a una distanza r detta di Rayeligh.
Nella regione 3 la componente reale di P è maggiore della componente immaginaria, P si attenua con l'inverso del cubo della distanza. La componente reale dell'impedenza d'onda è maggiore di quella immaginaria. In questa regione non si hanno le condizioni di onda piana poiché prevalgono le interferenze dovute alle geometrie delle antenne e, non vi è relazione costante tra le fasi e tra le intensità dei vettori elettrico e magnetico. La determinazione della densità di potenza S in un punto richiede la misura vettoriale della fase e dell'ampiezza di entrambi i campi. La misura scalare di entrambi i campi non consente quindi di determinare l'esatto valore della densità di potenza “S” W/m2, tuttavia tale valore può in alcune circostanze essere accettato poiché è comunque conservativo, dato che la densità di potenza sarà comunque minore della densità di potenza in condizioni di onda piana e quindi di campi ortogonali.

S ≤ |E| ^ |H|

Si introduce quindi il concetto di densità di potenza di onda piana equivalente Seq, come il valore di densità di potenza che verrebbe trasportata dall'onda piana in cui i campi elettrico e magnetico hanno ampiezza uguale a quella misurata separatamente in condizioni di campo vicino radiativo.

Seq = |E| ^ |H|

Nella regione 4 le componenti radiali di H e E sono praticamente nulle, la componente zenitale del campo elettrico è legata alla componente azimutale del campo magnetico attraverso una semplice relazione scalare, l'impedenza del mezzo , che non dipende dalle caratteristiche della sorgente, dipende soltanto dalle proprietà fisiche del mezzo in cui si propaga l'onda.
Il vettore di Poynting è sempre reale in quanto le componenti sono sempre in fase e si attenua con il quadrato della distanza. In tutti e 4 i casi il vettore di Poynting ha una frequenza doppia rispetto a quella dei campi e una componente continua che è nulla soltanto nel quarto caso.

Nella regione di campo radiattivo lontano la perturbazione elettromagnetica assume localmente le caratteristiche dell'onda piana, con distribuzioni uniformi del campo elettrico e del campo magnetico. Il campo elettrico ed il campo magnetico sono fra loro mutuamente ortogonali, mantengono in ogni istante la relazione di fase in quadratura e oscillano ortogonalmente alla direzione di propagazione. la permanenza della relazione di fase in quadratura, determina che si mantenga costante nel tempo e nello spazio il rapporto η (impedenza dell'onda) tra i moduli delle intensità dei due campi, cioè che valga la relazione:

η = Ω

Dal punto di vista delle tecniche di misura la condizione di campo lontano, e quindi di onda piana, permette di effettuare le sole rilevazioni di campo elettrico (di campo magnetico) per ottenere l'informazione di campo magnetico (di campo elettrico) e di densità di potenza. Questa però è una schematizzazione che non risulta adeguata quando si studiano le sorgenti a larga banda nella zona reattiva. In realtà il campo elettromagnetico varia spazialmente con continuità. Le relazioni di fase tra E e H sono anch'esse dipendenti da r. A titolo d'esempio, in figura 4, è riportata le fase dei campi E e H per un dipolo elementare esteso al variare di r. L'energia prodotta da una sorgente elementare puntiforme può essere rappresentata mediante uno sviluppo in serie della funzione 1/r:


(S(t) è la funzione sorgente, ke e km sono costanti che inglobano le caratteristiche fisiche e geometriche del dipolo in funzione di r)

Possiamo considerare una sfera di raggio r con il centro coincidente con la sorgente, l'energia totale distribuita sulla superficie S è data da:

Il termine costante k1ek1m, indipendente dalla scelta del raggio della sfera, rappresenta l'energia impressa dai generatori presenti all'interno della sorgente. I termini non costanti rappresentano il contributo reattivo che è tanto più intenso quanto più si è vicini alla sorgente. Questa rappresentazione è più realistica rispetto alle usuali schematizzazioni.

TORNA SU SUCCESSIVO