Controluce - Figure per descrivere
descrivere cambi
autore:
David Snyder
affiliazione:
Space Environment Effects Branch,
NASA Glenn Research Center,
Cleveland (OH)
L'immagine
Variazioni della ionosfera a metà giugno
Sopra gli 80 km di quota comincia la termosfera, così chiamata perché la temperatura dei gas che compongono questo strato più esterno dell’atmosfera (e che vengono riscaldati dalla radiazione solare ultravioletta) aumenta notevolmente, passando dai circa -90°C della stratosfera a più di un migliaio di gradi. La termosfera si suddivide in altri strati, di cui il primo, il più caldo, contiene prevalentemente gas ionizzati (plasma) ed è per questo chiamato ionosfera.
La ionosfera forma una complessa cupola toroidale attorno alla Terra. Grazie alla forte differenza di densità elettronica tra la ionosfera e la sottostante stratosfera, le frequenze radio inferiori ai 30MHz (le cosiddette onde corte) possono venire riflesse ed essere così diffuse oltre l’orizzonte, cosa che permette la comunicazione internazionale e intercontinentale via radio.
La ionosfera è ulteriormente suddivisa in tre strati, detti D, E ed F, caratterizzati da diverse temperature e densità elettroniche, nonché dalla presenza di diversi gas ionizzati.
Lo strato F si estende fra i 130 e i 450 km di altitudine. Il gas ionizzato prevalente è l'ossigeno atomico.
Le immagini si riferiscono alla variazione di densità di elettroni liberi che ci si può aspettare di trovare, sulle diverse latitudini e longitudini, a un’altitudine fissa di 400 km, quota che rientra nella parte più esterna dello strato F, la più importante ai fini della propagazione dello onde radio.
Di giorno, lo strato F si divide in due ulteriori sottostrati, F1 (interno) ed F2 (esterno). Gli strati dell’atmosfera e in particolare quelli della ionosfera sono infatti soggetti a variazioni causate dal variare della radiazione solare sulla superficie della terra dovute ai suoi moti di rotazione e rivoluzione.
Importanti variazioni sono anche causate dal variare dell’attività solare lungo un ciclo di 11 anni terrestri. Nelle immagini, il periodo solare è fissato a 150 macchie solari (alta attività) e è tenuta fissa anche la data nell’anno (al pieno giorno artico e alla piena notte antartica) . Quello che si osserva è quindi lo spostamento del picco di densità elettronica nelle ore del giorno. In particolare, le due figure raccolte nell’immagine principale mostrano la variazione dalle 4.00h alle 9.00h (UTC), mentre quella nell’immagine associata presenta la situazione alle 12.00h UTC. Il picco principale appare seguito da una scia in cui i valori più alti si allontanano dall’equatore magnetico viaggiando parallelamente a nord e a sud. Questo fenomeno, noto come fontana equatoriale, è dovuto all’influenza del campo elettromagnetico terrestre sul plasma degli strati E ed F della ionosfera. Gli elettroni contenuti nel plasma ionosferico sono infatti sospinti lungo le linee di forza di questo campo che disegnano due parabole a 20° nord e sud dell’equatore. L’anomalia equatoriale è soltanto una delle varie anomalie che movimentano il complesso panorama della ionosfera e che rendono difficile la sua corretta previsione.
La ionosfera forma una complessa cupola toroidale attorno alla Terra. Grazie alla forte differenza di densità elettronica tra la ionosfera e la sottostante stratosfera, le frequenze radio inferiori ai 30MHz (le cosiddette onde corte) possono venire riflesse ed essere così diffuse oltre l’orizzonte, cosa che permette la comunicazione internazionale e intercontinentale via radio.
La ionosfera è ulteriormente suddivisa in tre strati, detti D, E ed F, caratterizzati da diverse temperature e densità elettroniche, nonché dalla presenza di diversi gas ionizzati.
Lo strato F si estende fra i 130 e i 450 km di altitudine. Il gas ionizzato prevalente è l'ossigeno atomico.
Le immagini si riferiscono alla variazione di densità di elettroni liberi che ci si può aspettare di trovare, sulle diverse latitudini e longitudini, a un’altitudine fissa di 400 km, quota che rientra nella parte più esterna dello strato F, la più importante ai fini della propagazione dello onde radio.
Di giorno, lo strato F si divide in due ulteriori sottostrati, F1 (interno) ed F2 (esterno). Gli strati dell’atmosfera e in particolare quelli della ionosfera sono infatti soggetti a variazioni causate dal variare della radiazione solare sulla superficie della terra dovute ai suoi moti di rotazione e rivoluzione.
Importanti variazioni sono anche causate dal variare dell’attività solare lungo un ciclo di 11 anni terrestri. Nelle immagini, il periodo solare è fissato a 150 macchie solari (alta attività) e è tenuta fissa anche la data nell’anno (al pieno giorno artico e alla piena notte antartica) . Quello che si osserva è quindi lo spostamento del picco di densità elettronica nelle ore del giorno. In particolare, le due figure raccolte nell’immagine principale mostrano la variazione dalle 4.00h alle 9.00h (UTC), mentre quella nell’immagine associata presenta la situazione alle 12.00h UTC. Il picco principale appare seguito da una scia in cui i valori più alti si allontanano dall’equatore magnetico viaggiando parallelamente a nord e a sud. Questo fenomeno, noto come fontana equatoriale, è dovuto all’influenza del campo elettromagnetico terrestre sul plasma degli strati E ed F della ionosfera. Gli elettroni contenuti nel plasma ionosferico sono infatti sospinti lungo le linee di forza di questo campo che disegnano due parabole a 20° nord e sud dell’equatore. L’anomalia equatoriale è soltanto una delle varie anomalie che movimentano il complesso panorama della ionosfera e che rendono difficile la sua corretta previsione.
La tecnica
Modello empirico (IRI-90)
Le immagini visualizzano dati in uscita del modello IRI (International Reference Ionosphere). La prima formulazione del modello risale agli anni settanta. La versione del modello utilizzata per realizzare le immagini contenute nelle figure è quella del 1990, realizzata grazie a uno sforzo congiunto del COSPAR (Committee on Space Research) e URSI (Union Radio-Scientifique Internationale). La versione attualmente utilizzata è IRI-2001.nell'ultima assemblea generale del COSPAR (Pechino luglio 2006) si è discusso della nuova versione IRI-2006 che conterrà vari miglioramenti, fra cui vi è anche il modello di densità elettronica della parte superiore dello strato F2 che è stata sviluppata in collaborazione dall'ICTP e dall'università di Graz.
IRI si basa sui dati forniti dalla rete mondiale di ionosonde (come si chiamano gli apparecchi radar di diverso tipo con cui si sondano le varie discontinuità che costituiscono gli strati della ionosfera, e che producono normalmente molte decine di ionogrammi al giorno) e da diversi satelliti e anche da razzi con specifiche missioni di misura. Questi dati raccolti nel corso degli anni sono serviti per costruire i set di coefficienti mediani con cui viene modellato il comportamento della ionosfera (in particolre dello strato F2) e le varie tabelle di parametri che permettono di modellare il profilo verticale di densità elettronica.
In altre parole, a partire da queste serie storiche e dall’insieme di equazioni che correlano le variazioni di ogni parametro secondo la fisica della ionosfera e della propagazione delle onde radio, per ogni luogo, data e ora, il modello IRI da una parte descrive la densità e la temperatura degli elettroni e degli ioni (nonché la loro natura e composizione) in un raggio di quote tra i 50 e i 2000 km (con una maggior precisione per i 400 km), dall’altra permette di correlare la densità elettronica alle frequenze sulle quali le onde radio saranno assorbite o riflesse.
Il modello ha una buona capacità predittiva sulla scala delle ore alle latitudini medie e basse. Viene utilizzato per modulare le frequenze radio in modo da ottimizzarne la trasmissione su lunga distanza e, cosa che diventa di importanza sempre maggiore, correggere le distorsioni della trasmissione di dati via satellite.
I dati sono visualizzati in falsi colori a diversa tonalità. I colori indicano la temperatura degli elettroni, le tonalità più chiare una maggiore densità di elettroni liberi. Quest'ultimo è il fattore essenzialmente correlato alla variazione delle frequenze d'onda.
IRI si basa sui dati forniti dalla rete mondiale di ionosonde (come si chiamano gli apparecchi radar di diverso tipo con cui si sondano le varie discontinuità che costituiscono gli strati della ionosfera, e che producono normalmente molte decine di ionogrammi al giorno) e da diversi satelliti e anche da razzi con specifiche missioni di misura. Questi dati raccolti nel corso degli anni sono serviti per costruire i set di coefficienti mediani con cui viene modellato il comportamento della ionosfera (in particolre dello strato F2) e le varie tabelle di parametri che permettono di modellare il profilo verticale di densità elettronica.
In altre parole, a partire da queste serie storiche e dall’insieme di equazioni che correlano le variazioni di ogni parametro secondo la fisica della ionosfera e della propagazione delle onde radio, per ogni luogo, data e ora, il modello IRI da una parte descrive la densità e la temperatura degli elettroni e degli ioni (nonché la loro natura e composizione) in un raggio di quote tra i 50 e i 2000 km (con una maggior precisione per i 400 km), dall’altra permette di correlare la densità elettronica alle frequenze sulle quali le onde radio saranno assorbite o riflesse.
Il modello ha una buona capacità predittiva sulla scala delle ore alle latitudini medie e basse. Viene utilizzato per modulare le frequenze radio in modo da ottimizzarne la trasmissione su lunga distanza e, cosa che diventa di importanza sempre maggiore, correggere le distorsioni della trasmissione di dati via satellite.
I dati sono visualizzati in falsi colori a diversa tonalità. I colori indicano la temperatura degli elettroni, le tonalità più chiare una maggiore densità di elettroni liberi. Quest'ultimo è il fattore essenzialmente correlato alla variazione delle frequenze d'onda.
Cos'e' controluce
Controluce è una raccolta di immagini scientifiche provenienti dai laboratori di ricerca.
La scienza procede per modelli e anche per immagini. L'osservazione dei fenomeni, gli esperimenti di laboratorio, l'intuizione matematica, le simulazioni al computer utilizzano in molti casi la sintesi e la capacità evocativa di un'immagine. Sopratutto, le immagini sono un irrinunciablile ingrediente della comunicazione della scienza, sia interna che esterna a una certa disciplina.
Le immagini di Controluce vengono scelte e descritte da Ulisse con un lavoro di confronto e di dialogo con gli scienziati che le hanno prodotte. Si tratta di immagini che nascono direttamente dall'attività di ricerca, ma che hanno un alto potenziale comunicativo anche per un pubblico più ampio.
