Collegamenti radio su percorsi polari (quarta parte)
Analisi scientifica della propagazione alle alte latitudini
Riflessione sulle cortine aurorali
Grazie alla segnalazione di un amico radioamatore, Tony De Longhi IZ3ESV, che e' in contatto con una stazione operante nel sud della Norvegia, abbiamo la prova della possibilita' di riflessione dei segnali ad opera delle cortine Aurorali.
Si tratta di Ketil Olsen LA2UJA, con il quale abbiamo instaurato una collaborazione per lo studio e l'osservazione della propagazione ionosferica; l'amico Ketil, gode infatti di un osservatorio particolare, essendo situato a Kolnes, oltre i 60° di latitudine Nord e quindi in una posizione privilegiata per l'osservazione dei fenomeni legati alla Ionosfera Polare e alle Aurore.
L'esperienza riportata dal radioamatore norvegese, che con le antenne verso Nord collegava con segnale forte e stabile una stazione dalla Danimarca che a sua volta irradiava verso Nord, sulla banda dei 20 metri (14 MHz), (puntando l'antenna direttamente verso la Danimarca la stazione Danese non era ascoltabile, geograficamente il Sud della Norvegia e la Danimarca sono molto vicine), dimostra che esiste la reale possibilita' di una riflessione anche per le frequenze HF, sulle cortine aurorali.
Da un'analisi più approfondita di questo interessante qso (collegamento radio), avvenuto l'1 Febbraio 2003 alle 22,23 Utc sulla frequenza di 14 Mhz, è emerso che l'attivita' aurorale era intensa, confermata anche dall'elevata attività geomagnetica con un indice Kp=7; esiste infatti una stretta correlazione tra l'indice Kp e l'aurora.
Alla stessa maniera di questa riflessione diretta, potrebbero avvenire delle deviazioni o delle riflessioni laterali per quei segnali che lambiscono le cortine aurorali, soprattutto quando a causa dell'elevata attivita' geomagnetica, si allargano in estensione e in densità.
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Nella figura sopra a sinistra ho riportato la dinamica dei segnali riflessi dall'ovale aurorale, mentre nella cartina a destra ho ricostruito l'estensione dell'aurora per un indice Kp pari a 7 alle ore 22,23 Utc del 01/02/2003. Come si può vedere, il plasma aurorale arriva fino alla Norvegia meridionale.
Grey Line
La linea del Terminatore, ovvero il confine tra giorno e notte causato dall'ombra proiettata dalla sfera terrestre, attraversa orizzontalmente le regioni polari, e la posizione esatta dipende dalla stagione. Durante il solstizio d'inverno (21 Dicembre), la linea del terminatore è posizionata in maniera tangenziale al circolo di 66.7 gradi di latitudine Nord (Circolo polare). L'area all'interno di questo circolo è sempre sul lato oscuro e corrisponde alla lunga notte polare delle regioni artiche. Viceversa, durante il solstizio d'Estate (21 Giugno), la linea del terminatore è sempre tangenziale al circolo polare ma in questo caso esterna e la regione interna al circolo polare è sempre sul lato illuminato durante la stagione estiva. Durante gli equinozi (21 Marzo e 21 Settembre), la linea del terminatore passa sopra il polo e divide esattamente in due parti uguali la regione polare. La presenza continua della radiazione solare per molti mesi e poi la successiva scomparsa per un altrettanto lungo periodo, rendono uniche le caratteristiche dell'Atmosfera in quest'area.
La posizione del terminatore è critica per la formazione della ionosfera polare. La intense radiazioni solari di raggi ultravioletti (EUV), ionizzano l'alta atmosfera nel lato illuminato. Questo processo domina la formazione della ionosfera sulla parte illuminata dal Sole.
Ioni dell'atomo di ossigeno che vivono a lungo (O+ prodotti sul lato illuminato), ruotano assieme alla Terra e formano una scia ionizzata verso il lato in oscurità. Avviene quindi una precipitazione di particelle energetiche nella zona aurorale, che causa una ionizzazione dell'alta atmosfera. La zona aurorale forma un ovale centrato attorno al polo geomagnetico, che varia dimensioni e posizione durante il giorno a causa di numerosi fenomeni (solari-geomagnetici) che agiscono contemporaneamente. La presenza di un significativo campo elettrico nella regione polare, genera all'interno del plasma ionosferico, delle correnti che attraversano i campi elettrici e magnetici.
Valori tipici di questa corrente con un campo elettrico di 50 mV/m è di 1 Km/sec. Entrambi i valori, aumentano durante i periodi disturbati (alta attività geomagnetica) con valori di campo elettrico superiori a 100-150 mV/m e una velocità della corrente ionosferica di 2-3 Km/sec. Dal punto di vista pratico, ho sperimentato "sul campo" come il posizionamento della Grey line, influenzi la possibilità o no del collegamento transpolare; la complessa dinamica della ionosfera polare, si traduce poi in un comportamento molto selettivo sulla propagazione dei segnali. Solo in determinate ore della giornata, i collegamenti diventano possibili.
Flutter Fading (fading distorcente)
I segnali che passano attraverso la zona polare, sono riconoscibili poiché caratterizzati da un rapido fading distorcente (scintillamento).
A causa della continua e caotica precipitazione di particelle energetiche (elettroni e protoni) con differenti livelli di energia, provenienti dal vento solare e catturate dalle linee di forza del campo magnetico terrestre che convergono verso i poli, si formano delle chiazze irregolari di maggiore densità elettronica (la ionosfera polare non è omogenea ma soggetta a continue turbolenze oltre a essere molto esposta alle variazioni dell'attività solare), e la presenza di tantissime irregolarità aventi un gradiente di ionizzazione che continua a variare, sono causa di rifrazioni continue che provocano lo sparpagliamento dei segnali (multi-scatter). Ne consegue che il segnale ricevuto è distorto ed evanescente. Il fading distorcente, tende ad essere un effetto altamente localizzato, ed avviene soltanto se il percorso del segnale, penetra una regione ionosferica dove sono presenti delle irregolarità di densità elettronica. La scintillazione tende ad essere più severa per quei segnali che passano a cavallo dell'Equatore geomagnetico. Il fenomeno e più intenso dal tramonto locale fino subito dopo la mezzanotte e durante i periodi di alta attività solare. Nelle regioni aurorali e polari, la scintillazione è ancora più forte e aumenta con livelli elevati di attività geomagnetica.
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La figura sopra a sinistra, mostra la differente concentrazione di particelle energetiche nella zona polare. La disomogeneità e l'instabilità della ionosfera polare è la causa del Flutter fading, che aumentano quando l'attività geomagnetica è elevata e causano il blocco della propagazione sui percorsi alle latitudini elevate. La figura sopra a destra mostra la distribuzione delle irregolarità, causa dello scintillamento ionosferico, localizzate nelle regioni polari e a cavallo dell'equatore. In quest'ultima area, le irregolarità sono localizzate soprattutto all'interno della regione F e al terminatore, dove i treni d'onde che arrivano, trovano una situazione di grande agitazione. In quest'area, da una parte cessa la pressione di radiazione solare, che invece è accentuata nella parte illuminata. Il plasma ionosferico è quindi spinto continuamente dalla parte in luce verso quella oscura. Si formano degli ammassi sigariformi, orientati secondo le linee di forza del campo geomagnetico. Queste strutture si estendono per circa 2000 km. a nord e a sud dell'equatore magnetico; i raggi incidenti vengono deviati a causa del differente gradiente che incontrano, oltre alla possibilità che si formino delle guide d'onda all'altezza della regione F.
Lo scintillamento è provocato dal passaggio dei treni d'onde a cavallo dell'equatore magnetico, dove il moto e il disordine degli ammassi sigariformi causano continue variazioni dell'indice di rifrazione.
Fonte: Analisi scientifica della propagazione alle alte latitudini di Flavio Egano IK3XTV