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Monitoraggio dei Campi EM Naturali

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

Di Paolo Palangio

9. Bilancio energetico della cavità Terra-Ionosfera

La cavità Terra-ionosfera può essere considerata come un grande condensatore elettrico le cui armature sono costituite da due sfere concentriche, la Terra e la ionosfera (figura 12). La carica di questo condensatore rimane approssimativamente costante nel tempo. La condizione di equilibrio elettrostatico del sistema è garantita dai meccanismi fisici che consentono la continua rigenerazione del campo elettrico. Questi meccanismi sono i responsabili di gran parte del rumore elettromagnetico che si osserva sulla superficie terrestre e che permea l'intera cavità. Per mantenere carico questo condensatore è necessaria una potenza dell'ordine di 400 MW.

FIGURA 12 Equilibrio elettrostatico della cavità Terra-ionosfera Equilibrio elettrostatico della cavità Terra-ionosfera

In condizioni di bel tempo il campo elettrico in prossimità della superficie terrestre ha un valore medio di circa 120 V/m a cui corrisponde una densità superficiale di carica di -1.2 pC/m2. Integrando questo valore su tutta la superficie terrestre si ottiene la carica totale negativa della Terra di 0.5 MC. Una carica uguale e di segno opposto è ovviamente presente sul bordo della ionosfera. Il campo elettrico atmosferico decresce esponenzialmente con la quota, a 10 km il campo si riduce a 5 V/m, a 30 km il campo è di soli 0.3 V/m. Integrando il campo elettrico dalla superficie terrestre fino alla ionosfera si ottiene la differenza di potenziale esistente tra Terra e ionosfera che è di circa 300 kV. Nell'atmosfera fluisce una corrente verticale la cui densità è di circa 2 pA/m2, integrando tale valore della densità di corrente su tutta la superficie terrestre si ha una corrente totale di circa 1350 A che scorre tra la ionosfera e la superficie terrestre. Questa corrente di scarica è dovuta alla presenza di cariche elettriche che rendono l'atmosfera leggermente conduttrice. Alle quote basse la sorgente principale si trova sulla superficie terrestre e all'interno della Terra.
La crosta terrestre infatti contiene materiali radioattivi, principalmente Uranio, Torio e i loro prodotti di decadimento. I Raggi beta e gamma emessi dal suolo ionizzano le molecole di aria nei primi metri sopra il suolo. Il gas radioattivo Radon, uno dei prodotti di decadimento dell'Uranio 238, può diffondere nell'atmosfera fino a qualche decina di metri al di sopra del suolo prima che decada in Polonio emettendo particelle alfa. Pertanto il Radon è la principale causa di ionizzazione dell'aria fino ad altezze di diverse decine di metri sopra la superficie terrestre. Nonostante ciò la conducibilità elettrica dell'atmosfera vicino al suolo diminuisce perché gli ioni tendono a depositarsi sulle particelle di aerosol e di polvere. Queste particelle a causa della loro minore mobilità contribuiscono a ridurre la conducibilità elettrica dell'aria. Nelle zone con elevate concentrazioni di particolato nell'aria si hanno bassi livelli di conducibilità elettrica.
La seconda sorgente di ionizzazione è costituita dai raggi cosmici la cui efficacia è massima a 15 km di quota dove il massimo effetto ionizzante è dato dall'equilibrio tra i due parametri: densità dell'aria e intensità dei raggi cosmici, l'uno decresce e l'altro cresce con la quota. I raggi X e la radiazione ultravioletta sono la principale causa di ionizzazione dell'aria al di sopra di 60 km di quota. Questa dipende dalla latitudine geografica, dalle stagioni, dalle ore del giorno e dall'attività solare.
La conducibilità elettrica dell'aria aumenta inoltre con la latitudine a causa dell'aumento dell'intensità dei raggi cosmici alle latitudini più elevate.
A livello del suolo la densità di corrente subisce variazioni associate alle condizioni meteorologiche che producono migrazioni di cariche elettriche e quindi correnti di convezione. Alle variazioni temporali del campo elettrico terrestre sono associate le correnti di spostamento che rappresentano una parte non trascurabile della corrente totale nell'equilibrio del circuito elettrico globale. La corrente di spostamento ha la stessa variazione diurna della corrente di conduzione
Vicino al suolo il campo elettrico è soggetto a grandi variazioni legate principalmente alle condizioni meteorologiche locali. In condizioni di cielo sereno e di assenza di vento si osservano fluttuazioni del campo elettrico legate a fenomeni di altra natura, la cui banda si estende da frazioni di mHz (variazione diurna) fino a frequenze dell'ordine dei kHz. Il campo elettrico misurato a terra spesso risulta essere molto più basso di 120 V/m, anche questo effetto è dovuto alla radioattività naturale. La superficie terrestre ha una carica elettrica negativa, le cariche elettriche negative prodotte dal decadimento delle sostanze radioattive della crosta vengono spinte verso l'alto dal campo elettrico terrestre, mentre quelle positive si dirigono verso il basso, ciò dà luogo alla formazione di un campo elettrico opposto a quello terrestre. Si forma uno strato che si estende per un'altezza di diversi metri sopra la superficie terrestre all'interno del quale il campo elettrico terrestre raggiunge un valore di equilibrio molto più basso di quello previsto, in funzione del livello di produzione di cariche negative di origine crostale, passando da 120 V/m a 5-30 V/m.
L'attività elettrica planetaria associata ai temporali può essere considerata come la sorgente primaria dell'energia che alimenta il sistema elettrico Terra-ionosfera. Questo sistema agisce come un immane generatore ad energia solare, esso converte l'energia solare in energia elettrica.
Il calore del sole che determina l'evaporazione, dà luogo a gradienti termici verticali, necessari per l'ascesa del vapore. Le correnti convettive verticali generano l'elettrizzazione delle nubi producendo un campo elettrico opposto a quello quasi-statico del condensatore Terra-ionosfera, di diversi ordini di grandezza più intenso. Le scariche elettriche temporalesche caricano la superficie terrestre ripristinando la carica negativa persa a causa della scarica continua attraverso l'atmosfera. La potenza elettrica totale messa in gioco in questo enorme meccanismo di carica e scarica è di circa 400 MW. Durante una scarica elettrica temporalesca viene creato un canale conduttivo ad elevata temperatura lungo il quale scorrono correnti dell'ordine dei kA. Questo conduttore è costituito da gas allo stato di plasma caratterizzato da una conducibilità elettrica confrontabile con quella di un metallo. Per qualche frazione di secondo si forma un'antenna che irradia onde elettromagnetiche la cui frequenza dominante dipende dalla lunghezza del canale conduttivo che mediamente è di circa 1000 metri, a cui corrisponde la frequenza fondamentale di circa 300 kHz. In realtà il funzionamento di questa antenna è piuttosto complesso, poiché il canale non è assimilabile al solo dipolo elettrico, dato che la corrente che vi circola genera un intenso campo magnetico. Inoltre, il canale ionizzato determina il “congelamento” del campo magnetico terrestre intensificandolo a causa dei moti vorticosi del plasma.
Quando la scarica cessa e, il plasma si raffredda, si produce una ulteriore emissione di segnali ELF-VLF dovuta allo “strozzamento” locale del campo geomagnetico lungo il percorso della scarica.
La ionosfera viene caricata anche attraverso altri meccanismi, diversi e molto più complessi.
Al di sopra della quota dei temporali, nell'atmosfera media dove l'aria è estremamente rarefatta, hanno luogo diversi fenomeni elettromagnetici, stimolati indirettamente dall'attività elettrica delle nubi, quali red sprites, elves, blu jets, impulsi radio ARB ( Atmospheric Radio Bursts) e impulsi gamma di origine atmosferica TGF (Terrestrial Gamma Flashes ) che in diversa misura contribuiscono a caricare elettricamente la ionosfera. Queste manifestazioni oltre a emettere nella banda propria, ottica, radio HF e gamma, hanno anche una coda spettrale nella banda ULF,ELF e VLF. Un ruolo importante si ritiene che abbiano i flussi di elettroni relativistici nella produzione di tali manifestazioni. Questi flussi vengono prodotti dal campo elettrico presente al di sopra delle nubi dove l'aria è più rarefatta. Gli elettroni vengono accelerati, lungo le linee di forza del campo geomagnetrico, dal campo elettrico estremamente intenso presente al di sopra delle nubi elettrizzate, questi interagiscono con i neutri dell'atmosfera producendo un frenamento delle cariche accelerate (bremsstrahlung) producendo impulsi gamma TGF (Terrestrial Gamma ray Fashes).

“Red Sprites” sono emissioni ottiche nella regione dello spettro corrispondente al rosso, si manifestano tra i 40 e i 90 km di altitudine e sono associati a scariche elettriche atmosferiche che avvengono tra la sommità delle nubi e la ionosfera. Queste scariche hanno caratteristiche assai diverse dai fulmini in quanto l'aria è estremamente rarefatta. Le emissioni gamma sono transienti la cui durata è dell'ordine del millisecondo. Gli impulsi radio atmosferici sono caratterizzati da una energia centinaia di volte più intensa delle radio emissioni dovute alle scariche elettriche. Hanno origine tra 5 e 20 km di altitudine al di sopra di grandi temporali. Lo spettro di questi fenomeni si estende tra 20 MHz e 200 MHz. La loro durata è estremamente breve, può variare da qualche microsecondo fino a 100 microsecondi, perciò sono di difficile osservazione. Le scariche atmosferiche, in particolare quelle di grande potenza (>1GW), possono produrre condizioni di instabilità nel plasma ionosferico e magnetosferico inducendo tutta una serie di fenomeni, meglio noti con i loro acronimi:

AKR (Auroral Kilometric Radiation) 20 kHz - 2 MHz
NTC (Non Thermal Continuum) 500 Hz 10 kHz
NCR (Non Continuum Radiation) 200 Hz - 100 kHz
TNCR (Trapped Non Continuum Radiation) 500 Hz 20 kHz
EW (Electron Whistlers) 100 Hz - 18 kHz
PW (Proton Whistlers) 0.1 Hz - 20 Hz
VLF HISS 10 Hz - 100 kHz
GM (Geomagnetic Micropulsation) 0.001 Hz - 5 Hz
ICW (Ion Cyclotron Whistlers) 10 Hz - 700 Hz
ICWA (Ion Cyclotron Waves) 5 Hz - 100 Hz
MNB (Magnetic Noise Bursts) 10 Hz - 600 Hz
SR (Schumann Resonance) 6 Hz - 50 Hz
ET (Electron Tweeks) 1 - 6 kHz
PT (Proton Tweeks) 1 - 10 Hz
TMR (Terrestrial Miriametric Radiation) 1 - 100 kHz

L'intensità dei segnali associati a queste manifestazioni naturali, osservate sulla superficie terrestre, variano da 10 fT fino a 100 nT. In gran parte vengono stimolate e modulate anche dalla componente particellare della radiazione solare (il vento solare). Questi segnali si propagano all'interno del plasma magnetosferico e ionosferico come onde magnetoidrodinamiche, che rimangono confinate come tali in queste regioni in quanto non possono propagarsi nel vuoto o nell'atmosfera neutra. Quando giungono sui bordi della discontinuità, il bordo inferiore della ionosfera o il bordo esterno della magnetosfera, questi segnali vengono riemessi dalla superficie di discontinuità sotto forma di onde elettromagnetiche e quindi possono essere osservate a terra.
La condizione essenziale affinché l'energia possa sfuggire dal plasma magnetosferico e ionosferico verso lo spazio interplanetario e verso la Terra è che le onde magnetoidrodinamiche nel plasma si propaghino nel modo ordinario e straordinario al di sopra delle rispettive frequenze di cut-off. Alla frequenza angolare locale del plasma ωp per i modi ordinari e alla frequenza


per i modi straordinari.
(ωg è la frequenza giromagnetica dell'elettrone e ωp è la frequenza angolare di plasma)

Le emissioni coinvolgono condizioni di instabilità che generano microturbolenze le quali rimangono confinate nelle regioni di plasma. La radiazione che si propaga all'esterno è il risultato di interazioni non lineari nel plasma.
Questi processi di generazione di onde producono diverse componenti, la più importante è la componente fondamentale alla frequenza di plasma quando la frequenza della perturbazione dovuta alla instabilità locale è molto inferiore a quella di plasma, ωi<<ωp.

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