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Monitoraggio dei Campi EM Naturali

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

Di Paolo Palangio

8. Modi di risonanza della cavità Terra-Ionosfera

La cavità Terra-ionosfera si comporta come un sistema risonante le cui frequenze sono legate alle dimensioni della cavità: la circonferenza massima della Terra di circa 40.000 km e l'altezza Terra-ionosfera di circa 100 km (figura 5). Alla prima è associata una frequenza fondamentale longitudinale di 7.8 Hz, alla seconda è associata una frequenza fondamentale trasversale di 1.700 Hz. L'insieme delle scariche elettriche atmosferiche e dei transienti artificiali di grande intensità che si producono sull'intera superficie planetaria eccitano i modi di risonanza longitudinale e trasversale della cavità producendo una radiazione di fondo quasi stazionaria e osservabile in qualunque punto della superficie terrestre: un segnale di fondo noto come segnale di risonanza Schumann (6 Hz – 45 Hz) e un segnale di risonanza trasversale (800 Hz – 5.000 Hz).

FIGURA 5 Modi di risonanza della cavità Terra-ionosfera Modi di risonanza della cavità Terra-ionosfera

La radiazione Schumann è costituita da una componente quasi stazionaria la cui ampiezza è dell'ordine di 10-100 fT, e una componente impulsiva costituita da inviluppi quasi esponenziali molto più intensi, 0.1-10 pT. La cui frequenza fondamentale e le sue armoniche sono soggette a piccole fluttuazioni, inferiori al 5%.
La componente stazionaria è dovuta al fatto che la frequenza media di ripetizione delle scariche atmosferiche è molto più grande della frequenza di risonanza, la componente non stazionaria è prodotta dalle scariche atmosferiche di grande intensità (>1 GW); a livello planetario si ha, statisticamente, un evento ogni secondo (figura 6). Nel grafico sono rappresentati i segnali di risonanza longitudinale della cavità Terra-ionosfera (risonanza Schumann) in essa sono visibili le due componenti che caratterizzano il fondo in questa banda di frequenze (7.5 Hz): la componente non stazionaria dovuta ai transienti di grande potenza (>1 GW) e la componente quasi stazionaria eccitata dalle scariche elettriche atmosferiche (100 al secondo).

FIGURA 6 Segnali di risonanza di Schumann Segnali di risonanza di Schumann

FIGURA 7 Frequenze di risonanza trasversale della cavità Terra-ionosfera Frequenze di risonanza trasversale della cavità Terra-ionosfera

I segnali relativi ai modi di oscillazione trasversale della cavità hanno una morfologia spettrale molto più complessa (figura 7) in quanto dipendono dalla struttura della ionosfera la quale è soggetta a continui cambiamenti influenzati principalmente dal sole sotto forma di due contributi: radiativo e particellare. Il contributo radiativo è dato dalla componente a più elevata energia della radiazione solare (raggi UV e raggi X) e il contributo particellare dovuto al vento solare (protoni, elettroni e ioni).
Le proprietà fisiche dei due bordi della cavità sferica rivestono una importanza fondamentale nella propagazione dei segnali. La ionosfera può essere considerata globalmente come un plasma freddo anisotropo e disomogeo. Questa assunzione è valida fintantoché l'energia dell'onda incidente non sia tale da modificare le proprietà fisiche del plasma.
Nel caso delle scariche elettriche atmosferiche l'energia in gioco può essere talmente elevata da produrre cambiamenti locali nel plasma ionosferico eccitando modi propri di risonanza. In una cavità sferica isotropa il campo elettromagnetico può essere scisso in due modi di propagazione indipendenti: nel modo TE (trasversale elettrico) e nel modo TM (trasversale magnetico) oltre al modo TEM. Poiché la ionosfera non è isotropa a causa del campo magnetico terrestre, questi modi di propagazione si accoppiano sul bordo inferiore della ionosfera.
Onde TM o TE incidenti danno luogo a riflessioni TE e TM. Nella cavità Terra-ionosfera non possono coesistere modi TE e TM indipendenti. I due modi sono caratterizzati da frequenze di cut-off multiple di c/2h: TM1= 1.700 Hz, TM2=3.400 Hz, TM3=5.500 Hz, ecc. (h è l'altezza della ionosfera assunta per semplicità pari a 100 km) in corrispondenza delle quali la velocità di gruppo tende a zero . Per f uguale alla frequenza di plasma fp, la velocità di gruppo Vg e l'impedenza d'onda ZTM tendono a zero e l'impedenza d'onda ZTE tende a infinito (figura 8 e figura 9).

FIGURA 8 Risposta impulsiva della cavità Terra-ionosfera Risposta impulsiva della cavità Terra-ionosfera

FIGURA 9 Velocità di propagazione in funzione della frequenza dei modi TM Velocità di propagazione in funzione della frequenza dei modi TM

L'accoppiamento tra i due modi di propagazione implica che il coefficiente di riflessione nel bordo ionosferico è caratterizzato da una matrice 2x2 piuttosto che da uno scalare.
Il bordo inferiore della cavità è costituito dalla superficie terrestre che può essere considerato approssimativamente isotropo. La matrice di riflessione relativa al suolo ha i due elementi diagonali nulli.
In corrispondenza delle frequenze TM1, TM2, TM3 ecc si ha la massima attenuazione dei segnali (figura 10).

FIGURA 10 Curva di attenuazione della cavità Terra - ionosfera Curva di attenuazione della cavità Terra - ionosfera

Poiché la velocità di gruppo a queste frequenze tende a zero, il rumore presente nella cavità permane nell'ambiente per un tempo maggiore rispetto a tutte le altre frequenze, pertanto è osservabile una serie di inviluppi in corrispondenza di tali frequenze. Queste frequenze dipendono dalla struttura della ionosfera, poiché questa è soggetta a variazioni temporali e spaziali, le frequenze di cut-off possono assumere diversi valori nello stesso istante, tali valori inoltre possono essere soggetti a variazioni nel tempo (tipica è la variazione giorno-notte). La misura di questi segnali può costituire un utile strumento di diagnosi della ionosfera (figura 11).

FIGURA 11 Modello semplificato della struttura della ionosfera dedotto dalle frequenze di risonanza trasversale Modello semplificato della struttura della ionosfera dedotto dalle frequenze di risonanza trasversale
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