L’atmosfera terrestre è uno strato di gas che circonda il pianeta Terra. L’atmosfera è un sistema aperto lontano dall’equilibrio termico. E’ irradiata dalla radiazione ad onde corte proveniente dal sole, emette radiazione nell’infrarosso e scambia continuamente materia, energia e momento con la criosfera, l’idrosfera, la biosfera, e la litosfera. Presenta caratteristiche molto differenti a seconda dell’altezza al di sopra della superficie, della posizione geografica, della stagione e del livello di attività solare.
Attività solare
Dato che la natura dei gas e delle forze agenti su di essi differisce considerevolmente per differenti altezze, l’atmosfera terrestre è suddivisa in regioni diverse. Tale suddivisione non è unica e dipende dai parametri considerati. Le diverse regioni vengono chiamate sfere, i confini tra di esse pause, i massimi picchi. Per quanto riguarda l’atmosfera neutra, la suddivisione usuale fatta considerando la temperatura come parametro è la seguente:
Troposfera
Regione dell’atmosfera che si situa direttamente sopra la superficie terrestre. E’ il dominio della meteorologia. Si estende fino ad una quota variabile tra i 10 e 17 km di altezza ed è caratterizzata da un gradiente verticale (lapse rate)
di circa 0.6 ◦C ogni 100 km (T è la temperatura, z l’altezza). La diminuzione della temperatura cessa alla tropopausa.
Stratosfera
Prima regione dell’atmosfera superiore. E’ uno strato ove si registra un aumento della temperatura a causa dell’assorbimento dei raggi UVA da parte dell’ozono. Si trova al di sopra della troposfera. Si estende dalla troposfera fino al suo confine superiore, situato all’incirca a 50 km d’altezza.
Mesosfera
Regione dell’atmosfera superiore situata tra i 50 e gli 80 km approssimativamente. La base della mesosfera è definita dal massimo di temperatura esistente alla sommità della stratosfera. La mesosfera si estende verso il successivo minimo di temperatura, che definisce la base della termosfera. La mesosfera è composta di ossigeno e una serie di componenti minori che la rendono molto attiva chimicamente.
Termosfera
Regione di temperatura crescente, si trova al di sopra della mesosfera. Si estende tra gli 80 e i 2000 km approssimativamente. Il massimo di temperature della termosfera si situa intorno ai 450 km. La termosfera è riscaldata principalmente dai raggi UV solari e raggi X che ionizzano specialmente ossigeno ed azoto nella ionosfera.
Ad altezze superiori ai 600 km, le molecole neutre acquisiscono una velocità tale che possono lasciare l’atmosfera. Tale regione è chiamata esosfera. Fino a tali altezze i moti delle molecole sono causati dalla gravità, dal movimento termico e collisioni tra le molecole.
Ad altezze ancora maggiori, i moti delle molecole ionizzate sono governati dal campo geomagnetico terrestre, tale regione prende il nome di magnetosfera. Segue la magnetopausa, al di fuori della quale cessa il dominio delle forze terrestri e comincia quello del vento solare proveniente dal sole attraverso lo spazio interstellare.
Figura 1.1 : Profilo Verticale dell'Atmosfera Terrestre
Diversamente da troposfera, stratosfera, mesosfera e termosfera che vengono definite dai gradienti verticali della temperatura, il parametro che caratterizza la ionosfera è la densità elettronica. La ionosfera è la regione nella quale esiste una ionizzazione sufficiente ad influenzare la propagazione delle onde radio, tema connesso allo svolgimento di questa tesi.
Nella regione ionosferica avviene assorbimento di parte della radiazione solare incidente (X e ultravioletta), attraverso la formazione di coppie ione positivo (atomo o molecola) ed elettrone libero. Ne risulta un ambiente globalmente neutro, ma in cui gli elettroni sono di fatto liberi. Sia elettroni che ioni interagiscono con il campo magnetico terrestre, muovendosi lungo le sue linee di forza. Le collisioni fra ioni ed elettroni provocano la loro ricombinazione che dà origine ad atomi e molecole neutri.
La produzione di coppie ione-elettrone durante il giorno e la loro ricombinazione, che si verifica principalmente di notte, sono fenomeni antagonisti responsabili della forte variazione giornaliera che si osserva in gran parte della ionosfera terrestre. Ad essi si sommano processi dinamici che accentuano la variabilità della densità elettronica all’interno della ionosfera. Si estende dai 60 km fino ad altezze equivalenti a molti raggi terrestri (1 raggio terrestre = 6371 km), ove gli ioni emessi dal sole interagiscono con gli ioni presenti nell’atmosfera.
Interazione termosfera-ionosfera
La ionosfera è immersa nella termosfera. Tra queste due regioni dell’atmosfera esiste un accoppiamento testimoniato dalle analisi delle frequenze di collisione.
Il gas neutro ed il gas ionico sono correlati, ma l’interazione si sviluppa dalla termosfera alla ionosfera. La notevole energia deposta ai poli dal vento solare si dissipa in parte nello scatenare dei moti del sistema accoppiato termosfera-ionosfera in direzione dell’equatore. Tali moti di grande ampiezza e periodo che varia dal quarto d’ora a più di un’ora sono noti come onde di gravità.
Effetto visibile delle onde di gravità
Le onde di gravità sono perturbazioni che si propagano nella termosfera accompagnate da variazioni di temperatura, le perturbazioni dello stesso tipo che si propagano nella ionosfera con variazioni di densità, velocità e temperatura del gas ionizzato sono anche dette perturbazioni ionosferiche mobili (travelling ionospheric disturbances o TIDs). Si osservano anche delle maree ionosferiche, di periodo più elevato. Hanno origine a causa della energia deposta nella termosfera inferiore dai fenomeni geofisici regolari (rotazione della Terra).
I fenomeni che interessano termosfera e ionosfera sono strettamente correlati, ma è la termosfera che influisce sulla ionosfera [3].
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[3] W. Dieminger, G.K. Hartmann, R.Leitinger, 1996. The Upper Atmosphere, Data Analysis and Interpretation, Springer-Verlag eds.
