I principali strumenti che vengono utilizzati per ottenere misure ionosferiche sono ionosonde e radar a diffusione incoerente. Inoltre da alcuni anni si è cominciato a fare un uso massiccio di ricevitori GPS per ottenere misure di contenuto elettronico totale (TEC). In questo lavoro di tesi il metodo di ossevazione prescelto ai fini della stima del TEC è l’utilizzo di dati da ricevitori GPS.
Ionosonde
Le ionosonde sono dei radar che utilizzano in sequenza un gran numero di frequenze per trasmettere un segnale pulsato e registrarne gli echi riflessi dalla ionosfera. Le ionosonde inviano impulsi con frequenza variabile tra 0.1 e 20 MHz. Gli echi vengono visualizzati su di uno ionogramma, un grafico in cui si rappresenta l’altezza virtuale di riflessione del segnale in funzione della sua frequenza. L’altezza virtuale corrisponde al tempo di volo del segnale se viaggiasse alla velocità della luce nel vuoto.
In realtà il segnale soffre di un ritardo dovuto alla ionosfera, il quale dipende dalla quantità di elettroni incontrati lungo il cammino. Per mezzo di un processo di inversione si può passare dall’altezza virtuale a quella reale.
Figura 1.3 : Esempio di ionogramma
In presenza del campo magnetico terrestre, la ionosfera si comporta come un mezzo birifrangente. Permette la propagazione di vari tipi di onde al suo interno, come previsto dall’equazione di Appleton [10]. Esse vengono chiamate onda ordinaria (O) e onda straordinaria (X); a volte è presente anche una terza traccia, Z. Echi da tutte queste onde vengono registrati sugli ionogrammi.
Ionosonda Digitale CADI
Credito : SIL
L’analisi degli ionogrammi da suolo permette di ricavare i parametri che caratterizzano i massimi di densità elettronica dei vari strati della ionosfera. Queste quantità si esprimono solitamente in termini delle frequenze critiche di ciascun strato, cioè le più alte frequenze che vengono riflesse.
Conoscendo le frequenze riflesse, f, si possono ricavare i valori di densità elettronica in ogni strato, N, a partire dalla relazione:
Applicando la relazione (1.16) alle frequenze critiche di ciascun strato, si ricavano i valori dei massimi di densità elettronica. I sondaggi dal suolo permettono di determinare la distribuzione di densità elettronica in funzione dell’altezza N(h) generalmente a partire dallo strato E fino all’altezza del massimo di densità elettronica dello strato F2(hmF2), cui è associata la frequenza critica f0F2.
Con una ionosonda non è possibile osservare nulla che si trovi oltre il punto di massima densità elettronica incontrata nel sondaggio.
Per questa ragione dal suolo si può ricavare il profilo verticale N(h) solamente fino all’altezza hmF2. Viceversa, da un satellite in orbita al di sopra di hmF2 è possibile registrare ionogrammi che misurano la densità elettronica solamente nell’intervallo di altezze tra hmF2 ed il satellite. In questo caso sullo ionogramma vengono registrate anche altre tracce che corrispondono a risonanze del plasma ionosferico.
Radar a diffusione incoerente (ISR)
I radar a diffusione incoerente (o diffusione Thomson) trasmettono impulsi di potenza molto elevata (dell’ordine dei gigawatt) a frequenze fisse molto superiori alle frequenze di plasma ionosferiche (tipicamente tra 50 e 1300 MHz). I loro segnali possono quindi viaggiare attraverso la ionosfera, ivi compresa la parte superiore. L’eco ricevuto (di potenza dell’ordine dei picowatt) è il risultato della diffusione dell’energia elettromagnetica irradiata dal radar, da parte degli elettroni contenuti dal plasma ionosferico.
La potenza totale ricevuta dipende dal numero di elettroni e permette di stimare la densità elettronica all’altezza in cui è avvenuta la diffusione. Questi strumenti sono delle sorgenti eccellenti di dati per studi di variazioni diurne, stagionali, di ciclo solare etc. della parte inferiore della ionosfera. Nella parte superiore però il rapporto segnale-rumore diventa via via più basso e questo limita in altezza le osservazioni possibili.
I radar a diffusione incoerente permettono inoltre di misurare altre proprietà dell’alta atmosfera: densità della componente neutra, temperature, composizione ionica, campo elettrico, conduttività, velocità dei venti . . . Esistono solo una decina di ISR e sono situati in pochi punti sulla Terra.
Immagine dell'alta atmosfera
Credito : Allvoices
Entrambi i tipi di strumento appena descritti permettono di ricostruire un profilo verticale N(h) di densità elettronica della ionosfera nell’intervallo di osservabilità di ciascuno di essi, fornendo quindi una informazione geografica parziale sulla densità elettronica della ionosfera che è compensata dalla copertura temporale che queste tecniche permettono.
GPS
Dai primi anni ’80 del secolo scorso il GPS è diventato a tutti gli effetti uno strumento per lo studio della fisica della ionosfera e dei suoi effetti sulle communicazioni e sui sistemi di navigazione.
Le principali osservabili GPS sono il codice e la fase della portante. Entrambe sono misure affette da bias della distanza tra satellite GPS e ricevitore GPS. A causa della natura dispersiva della ionosfera, l’effetto ionosferico può essere quasi completamente eliminato per mezzo della cosiddetta combinazione lineare libera da ionosfera di misure simultanee delle L1 e L2, posto che si disponga di ricevitori GPS a doppia frequenza.
D’altra parte, analizzando la cosiddetta combinazione lineare libera da geometria (geometry-free), l’osservabile differenza tra L1 e L2 espressa in unità di lunghezza, è possibile estrarre informazione sulla densità elettronica da dati da GPS a doppia frequenza.
Tuttavia non è possibile derivare direttamente informazione ionosferica senza tener conto di ritardi di codice (differential code biases o DCBs) ed ambiguità iniziali della fase della frequenza portante.
I centri di analisi IGS forniscono on-line anche dati sulle osservabili GPS nel formato standard RINEX . Tali files RINEX vengono usati per il calcolo dello slant TEC (STEC), ovvero il TEC lungo la linea di vista satellite-ricevitore GPS e quindi del VTEC da utenti della comunità IGS. In tale ambito si adotta il modello di ionosfera thin layer (strato sottile), per il quale si assume che tutti gli elettroni liberi siano concentrati in uno strato di spessore infinitesimale situato ad un’altezza di riferimento solitamente posta a 350-400 km.
Per ogni osservazione di STEC si definisce come punto ionosferico (pierce-point) l’intersezione della linea di vista stazione-satellite con lo strato sottile all’altezza di riferimento; il VTEC viene calcolato nel pierce point convertendo lo STEC per mezzo di una
opportuna funzione di proiezione (mapping function). Si procede di conseguenza all’estrapolazione di informazione sul TEC verticale nella regione di interesse. Maggiori dettagli verranno presentati nel capitolo 3.
In quanto base di questo lavoro, la modellazione delle osservabili GPS ed il GPS stesso meritano un capitolo a parte (capitolo 2 e 3). Altre fonti di informazione possono essere satelliti impiegati nelle misure di altimetria (TOPEX-POSEIDON).
Minore la gravità, più velocemente scorre il tempo
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[10] Hargreaves, J. K., 1992. The solar-terrestrial environment, Cambridge University Press.
VTEC Ionosfera 