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Rumori EM origine Naturale e Antropica

Caratterizzazione dell'ambiente elettromagnetico

Di Cesidio Bianchi e Antonio Meloni

3.II. Rumore atmosferico nella banda ELF/VLF e relativi fenomeni elettromagnetici

I fulmini sono la principale sorgente di energia del rumore di fondo elettromagnetico all’interno della cavità ionosferica. Tali fenomeni comprendono emissioni che partono dalla banda di frequenza ELF (pochi Hz) fino alla banda VHF (centinaia di MHz) e si originano dall’energia irradiata dal fulmine (figura 4).

FIGURA 4 Spettro elettromagnetico originato dalla scarica elettrica Spettro elettromagnetico originato dalla scarica elettrica

Diversi milioni di fulmini si abbattono ogni giorno sulla Terra. Essi sono le manifestazioni delle scariche elettriche delle 2000 tempeste che si stima si abbiano giornalmente su scala planetaria; la Terra viene pertanto colpita circa 100 volte al secondo dai fulmini. Tali scariche, in alcuni casi, sono molto violente e possono facilmente raggiungere i 10000 ampere. L’ammontare di energia rilasciata da ogni scarica può variare da qualche unità a qualche decina di GJ. Da qui, per la durata di ogni scarica (meno di una al s), le potenze coinvolte in questo fenomeno sono dell’ordine di 0.1 -1 TW. L’energia totale rilasciata annualmente è nell’ordine di 1019J. Solo il 10% dell’energia sprigionata dai fulmini viene irradiata come energia elettromagnetica e questo corrisponde alla quantità d’energia elettrica prodotta nel 1970 dalle centrali di tutto il mondo.
I fenomeni più rilevanti nella banda a bassa frequenza ELF sono le risonanze di Schumman. Questi fenomeni consistono in un segnale elettromagnetico ad ampio spettro composto da onde di frequenza al di sotto di 60 Hz. Le risonanze di Schumman si hanno perché la Terra e la ionosfera formano una guida d’onda naturale che mostra una frequenza fondamentale di risonanza a 7.8 Hz e componenti armoniche superiori a circa 15.6, 23,4 e 31.2 Hz (figura 5). Il sistema Terra-Atmosfera può essere visto da un punto di vista elettromagnetico, come una serie di strati della crosta di conduttività elettrica differente. La Terra e gli strati della ionosfera appaiono come conduttori perfetti con una trascurabile conducibilità dell’aria nel mezzo; essi formano una cavità Terra-ionosfera nella quale la radiazione elettromagnetica viene intrappolata. Le scariche elettriche all’interno della troposfera irradiano l’energia in questo sistema e le onde si propagano nella cavità. Nel caso di interferenza costruttiva, le risonanze della cavità Terra-ionosfera vengono eccitate nelle su menzionate bande di frequenza (6-60 Hz).

FIGURA 5 Picchi di risonanze di Schumann Picchi di risonanze di Schumann

Una serie di fenomeni di propagazione, che sono rilevanti in questa banda di frequenza, sono i cosiddetti sferics, tweeks e whistlers. Le onde radio atmosferiche sono segnali impulsivi generati dai fulmini che viaggiano con una bassa attenuazione nella guida d’onda Terra-ionosfera. Questi segnali impulsivi (pochi ms) si propagano per migliaia di chilometri. Come in una vera guida d’onda, la guida d’onda Terra-ionosfera può sostenere la propagazione di questi segnali con valori di attenuazione molto bassi. Dal momento che solo la parte superiore di questo canale varia col tempo, la propagazione delle onde sferiche è determinata dalle condizioni stesse della ionosfera. Tramite una rete di semplici ricevitori con antenne direzionali è facile rilevare gli sferics anche semplici ricevitori AM commerciali ricevono questi come disturbi sonori tipici chiamati statics. Tali disturbi hanno maggiore intensità se la distanza del ricevitore dal fulmine e se l’energia ad esso associata è rilevante. Queste scariche elettriche emettono radiazione elettromagnetica su quasi tutto lo spettro delle onde radio anche se gran parte dell’energia è concentrata nella banda VLF tra 0.1 a 10 kHz e lo spettro di potenza ha una tipica pendenza (figura 6).

FIGURA 6 Tipico spettro di frequenza dell’energia elettromagnetica emessa da un fulmine Tipico spettro di frequenza dell’energia elettromagnetica emessa da un fulmine

I tweeks sono sferics che durante la propagazione hanno subito una dispersione in frequenza. Tradotti acusticamente il suono è simile ad un canto d’uccelli con frequenze comprese nell’intervallo 1-7 kHz. Quando essi si propagano per lunghe distanze in un mezzo dispersivo come la ionosfera, le loro componenti armoniche si separano lungo il percorso (Helliwell R.A. 1965). Queste componenti penetrano nella ionosfera a diverse profondità in funzione della frequenza. Le alte frequenze penetrano ad una maggiore profondità rispetto alle basse frequenze e queste ultime, essendo meno attenuate, percorrono distanze maggiori. I diversi percorsi implicano differenti tempi di arrivo all’osservatore. In uno spettrogramma (figura 7) risultano come toni discendenti con una durata dell’ordine di 25 a 150 ms. I tweeks vengono normalmente uditi alla sera dopo il tramonto.

FIGURA 7 Tweeks si propagano su differenti e notevoli distanze nella guida d’onda Terra-ionosfera Tweeks si propagano su differenti e notevoli distanze nella guida d’onda Terra-ionosfera

Si originano dagli sferic e subiscono una dispersione in frequenza in ragione della distanza percorsa. La traccia 1 mostra un tweek che ha percorso 60000 km (1), la traccia 2 più di 10000 km e la traccia 3 più di 14000 km (3).
I whistlers sono notevoli esplosioni generate dal rilascio di energia elettromagnetica dei fulmini. Parte di questa energia oltrepassa la barriera ionosferica e si propaga attraverso la magnetosfera. Possono essere udite dai radioricevitori come un lungo fischio che decresce nella frequenza, da circa 6 kHz ad alcune centinaia di Hz (figura 8). Nella magnetosfera i whistlers interagiscono con gli elettroni liberi e sono vincolati a propagarsi lungo le linee del campo magnetico terrestre. Le componenti armoniche del segnale identificate come Whistlers corrispondono alle onde elettromagnetiche che hanno viaggiato per diversi raggi terrestri arrivando all’osservatore in tempi differenti. Infatti, le frequenze più basse hanno un ritardo di 3-6 secondi rispetto alle alte frequenze. La dispersione dei Whistlers dipende dalla lunghezza del percorso fatto dal segnale e dalle caratteristiche del mezzo di propagazione (come la densità elettronica ed il campo magnetico statico).

FIGURA 8 Spettro di un Whistler Spettro di un Whistler
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