Fisica Terrestre

Perché si forma la ionosfera?

La Ionosfera è uno strato molto importante dell’Atmosfera Terrestre. Vediamo insieme da quali fenomeni è originata e perché è così importante anche nelle attività umane.

La Ionosfera è originata dall’equilibrio di due fenomeni: La ionizzazione e la ricombinazione.

La Ionizzazione

La Ionizzazione avviene grazie ai raggi cosmici, di origine solare e galattica che colpiscono le particelle neutre dell’atmosfera, strappando da queste gli elettroni, che di conseguenza diventano degli ioni. Oltre a questi, si aggiunge il contributo dovuto all’elevata temperatura che le particelle raggiungono da una parte grazie al riscaldamento provocato dall’irraggiamento solare e dall’altra dalla scarsa capacità di un gas così estremamente rarefatto di raffreddarsi, e dunque è considerabile adiabatico.

La Ricombinazione

La ricombinazione avviene quando gli ioni catturano gli elettroni, riformando particelle neutre.
Quindi, quando la velocità di ionizzazione e ricombinazione processi diviene costante, si ha una percentuale di ioni ed elettroni permanentemente separati, e di conseguenza una ionosfera. Una calotta che circonda il nostro pianeta formata da plasma estremamente rarefatto e “freddo”! Infatti, si trovano in esso ioni con un’energia compresa fra 0,1 e 0,3 eV.

La Ionosfera nel Tempo

La Ionosfera evolve nel tempo. Infatti la sua intensità varia localmente a causa del ciclo giorno-notte, ed è influenzata dall’attività solare. Durante la guerra fredda è stata perturbata anche da alcuni test nucleari condotti in alta atmosfera.

Grafico che lega la densità di ioni (sulle ascisse) e l’altitudine (sulle ordinate), mostrando come le linee del grafico di giorno siano spostate più verso destra, dove le densità degli ioni sono maggiori. L’indice R indica l’attività solare. Fonte: INGV

Lo Strato di Chapman

Lo Strato di Chapman è lo strato in cui si estende la Ionosfera. Infatti il flusso di raggi cosmici viene gradualmente assorbito dalle particelle neutre dell’atmosfera tanto più penetra verso quote più basse, in funzione anche dello spettro di assorbimento delle specie chimiche stratificate nell’atmosfera, (l’atmosfera terrestre smette di essere una miscela omogenea di gas al di sopra dei 100 km). Oltre una certa profondità questo flusso di radiazioni ionizzanti viene completamente assorbito, ed al di sotto cessa la produzione di ioni. Di conseguenza, ci si aspetta che ci sia una zona dove è presente un picco della densità di ioni, ed uno strato dove la ionosfera raggiunge la sua massima densità. Come mostra il grafico, questo picco è contenuto nello strato F2 dell’atmosfera a circa 300 km di altitudine.

Grafico che lega la densità di ioni (sulle ascisse) e l’altitudine (sulle ordinate). Sono anche citate le zone dell’atmosfera in cui sono assorbite le varie lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico. Fonte: Chambridge University
Grafico che lega la densità di ioni (sulle ascisse) e l’altitudine (sulle ordinate). In particolare sono riportate le specie chimiche degli ioni presenti. Fonte: Researchgate

Modello Matematico

Come tutti i fenomeni fisici, anche la ionosfera è descritta da un modello matematico. La variazione nel tempo della densità di ioni e la densità di particelle neutre rappresenta le velocità di formazione e ricombinazione delle coppie di ioni ed elettroni, e quando queste velocità si eguagliano, la densità di ioni rimane costante e si ha la permanenza di una ionosfera.
Un primo modello approssimativo può essere usato per descrivere la percentuale di ioni presenti in atmosfera partendo dalla condizione di equilibrio:

L’Importanza della Ionosfera

La ionosfera è di fondamentale importanza. Infatti gioca un ruolo fondamentale nei fenomeni elettrici atmosferici, essendo la “maglia esterna” del condensatore terrestre. Assorbe gran parte delle radiazioni ionizzanti che provengono dallo spazio cosmico. Inoltre permette le trasmissioni radio a lunga distanza, permettendo alle onde radio di rimbalzare verso la superficie terrestre. Buona parte dei satelliti artificiali presenti in LEO si trova immersa in essa, subendone gli effetti: i satelliti acquisiscono una debole carica negativa superficiale (Satellite Surface Charging). Dunque devono essere progettati affinché i componenti elettronici siano schermati e le strutture interne siano connesse elettricamente “a massa” per evitare che si formino zone a potenziali elettrici diversi tali da indurre scariche elettriche che possono danneggiare i satelliti stessi.

In Copertina:

Foto dell’Aurora Boreale dalla ISS. Ve ne avevamo parlato qui:

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