Viaggio nel mondo delle onde elettromagnetiche: quali sono gli effetti della ionosfera sulle onde radio?

esempio di rifrazione ottica

di Saverio Spinelli – Continua il nostro Viaggio nel mondo delle onde elettromagnetiche: oggi scopriamo quali sono gli effetti della ionosfera sulle onde radio, dopo aver visto nell’ultimo articolo cos’è la ionosfera.

Gli strati ionosferici producono effetti di rifrazione sulle radiazioni elettromagnetiche, dipendenti dai  differenti livelli di densità elettronica che caratterizzano i vari strati stessi.

La rifrazione è quel fenomeno, a tutti noto, per il quale il manico di  un cucchiaio, per metà immerso in un bicchiere d’acqua, appare angolato.

Il fenomeno è causato dalla deviazione che un raggio luminoso subisce allorquando attraversa sostanze  diversamente dense: nel caso specifico (in figura 33) vediamo infatti il cucchiaio attraverso due mezzi differentemente densi, l’aria  e l’acqua. L’indice di rifrazione, che è una caratteristica derivante dalla struttura atomica del materiale,  ha un valore fisso per tutto il campione di materiale.

Fig. 34 – fonte INGV- esempio di riflessione ionosferica

La rifrazione ionosferica è simile a quella ottica: è tanto maggiore quanto più alta è la densità del mezzo di propagazione; essa dipende però dalla densità di elettroni liberi. L’indice di rifrazione non ha un quindi valore fisso, in quanto varia alle varie altitudini secondo l’andamento della  densità elettronica.

L’effetto che la ionosferica produce su un’onda radio che l’attraversa è pertanto una rifrazione progressiva, cioè l’onda incidente si propaga secondo una linea curva e non con due  o più linee spezzate (come nell’esempio del cucchiaio nel bicchiere). Questa caratteristica nella propagazione dell’onda elettromagnetica può  comportare un incurvamento verso il basso del segnale, fino a procurarne anche la  riflessione  di ritorno verso la terra (figura 34).

Inoltre,  esattamente come, attraversando  un prisma (in Fig. 35),  un raggio solare subisce una rifrazione dipendente dalla sua lunghezza d’onda, consentendo la visualizzazione delle sue diverse componenti cromatiche (ognuna delle quali in effetti corrisponde ad una  differente lunghezza d’onda), così la deviazione subita dall’onda radio incidente nella ionosfera varia anche in funzione della sua frequenza.

Fig. 35 rifrazione della luce in un prisma

Un altro fenomeno che incide nel processo propagativo ionosferico è il fatto che l’onda radio,  penetrando nella ionosfera, tende ad agitare in sincronia con la propria frequenza gli  elettroni liberi che incontra,  favorendone la collisione e la ricombinazione con le altre particelle presenti  e dissipando in tal modo la propria energia.

Tanto più  alta è la concentrazione di particelle,  tanto più frequenti sono le collisioni e tanta più energia viene dissipata.

Lo strato D della ionosfera, essendo il più basso, ha contemporaneamente una elevata densità assoluta ( concentrazione di particelle varie) ed una bassa densità di gas ionizzato (e quindi di elettroni). Questo mix è responsabile della dissipazione dell’energia posseduta dall’onda incidente.

Cioè lo strato D tende ad assorbire le onde radio, non consentendo loro di raggiungere gli strati ionosferici più alti.

Ma non è così per tutte le radio onde; infatti, superata una certa frequenza di lavoro, gli elettroni non riescono più a “tener testa”  alle oscillazioni e quindi ad  innescare  il processo di ricombinazione.

In questi casi lo strato risulta ininfluente alle onde incidenti, consentendo loro di bypassarlo per raggiungere gli strati più alti (meno densi in assoluto di materia, ma a più alta densità elettronica), dove potranno invece prodursi successivi fenomeni di rifrazione, fino alla riflessione verso terra.

C’è inoltre da dire che, se la frequenza di emissione è superiore ad un certo valore limite e/o  se l’onda supera un determinato angolo di incidenza,  la rifrazione subita dall’onda che ha raggiunto gli strati ionosferici più alti può tuttavia non essere sufficiente  a  incurvarne la traiettoria (e quindi  da consentirne poi il ritorno verso terra) ed il segnale radio  “buca” la ionosfera, disperdendosi nello spazio: e ciò che accade sempre, in assenza di livelli di ionizzazione  straordinari,   a tutte le radiazioni  elettromagnetiche oltre i 30 MHz.

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