Perché le onde corte vengono riflesse dalla ionosfera e non quelle lunghe che hanno “meno forza”, cioè frequenza più bassa? E perché solo la ionosfera riflette?

La riflessione ionosferica ha rivestito nelle telecomunicazioni un
ruolo particolarmente importante, soprattutto prima dell’avvento delle
comunicazioni satellitari: era infatti questo l’unico modo per poter
effettuare comunicazioni a grande distanza su mezzi mobili, in particolare marittimi.
Però avviene il contrario di quanto affermato nella domanda: la
riflessione interessa le lunghezze d’onda maggiori e cessa al diminuire
della lunghezza d’onda, in pratica al di sotto dei 10 m.

La riflessione di un’onda elettromagnetica si presenta nel caso in cui
questa passi da un mezzo con determinate caratteristiche
elettromagnetiche1

a uno con caratteristiche differenti,

Dalla breve prefazione si capisce che l’onda elettromagnetica mentre si
propaga nella ionosfera può trovare delle discontinuità, vediamo da cosa
sono provocate.

Come sappiamo l’atmosfera è una miscela di gas (ossigeno, azoto,
idrogeno etc.), complessivamente (elettricamente) neutra, quando questa
viene illuminata dalla luce solare, l’atmosfera si comporta da filtro,
assorbendo la componente ultravioletta; l’energia acquisita dalla
radiazione solare fa sì che uno o più elettroni delle particelle che
compongono l’atmosfera si distacchino, venendosi “formare” coppie
elettroni liberi e ioni positivi in possesso di una certa energia
cinetica, questa situazione di gas ionizzato viene chiamata plasma,
caratterizzata da una certa conducibilità dipendente dalla ionizzazione.

Durante il loro cammino un elettrone troverà (prima o poi) uno ione,
e questi si ricombineranno, il tempo medio tra la formazione di una
coppia elettrone ione è chiamato tempo medio di vita della coppia.
È abbastanza intuitivo che all’aumentare della densità del gas (quota
più bassa) la probabilità che una coppia si ricombini è più alta, si
ha quindi un abbassamento del tempo di vita, che a quote molto basse è
praticamente nullo; a quote molto alte si verifica invece che il tempo
di vita medio aumenti, ma la densità di ioni è talmente bassa da non
avere praticamente effetti sull’onda elettromagnetica e da poter essere
paragonabile al vuoto; è per questo motivo che la riflessione si presenta
principalmente negli strati ionosferici e non negli altri.

Da un punto di vista intuitivo possiamo pensare al plasma ionosferico come
ad una nuvola di cariche elettriche: quando un campo elettromagnetico
incide sullo strato di plasma, ci sarà un movimento di cariche, data la
differenza di massa tra ioni ed elettroni si può pensare che gli unici
a muoversi siano gli elettroni, si avranno quindi diverse contrazioni
elettroni ioni e la conseguente formazione di un campo elettromagnetico
opposto a quello incidente, con la conseguenza che all’interno del plasma
il campo sarà nullo, mentre si formerà un’onda riflessa all’interfaccia
dove il campo ha inciso.

Se le varizioni del campo avvengono troppo rapidamente, a causa della
loro massa (anche se piccola) neanche gli elettroni riescono a seguire le
variazioni del campo e rimangono praticamente fermi, ed in questo caso,
non formandosi il campo opposto a quello incidente, si ha la trasmissione
dell’onda attraverso il plasma e non si forma nessuna onda riflessa.

L’analisi rigorosa è tutt’altro che semplice; è richiesto infatti
l’utilizzo congiunto delle equazioni Maxwell e delle equazioni cinetiche
per la descrizione dell’interazione tra campo elettromagnetico e le
particelle del plasma, nelle quali non agiscono solo forze note come quelle
dei campi, ma anche altre casuali come collisioni tra particelle, si
avrebbe a che fare allora con variabili di tipo aleatorio. Facendo ipotesi
di plasma freddo senza collisioni (trascurando le perdite) e lavorando con
le medie delle grandezze, consideriamo il sistema di eq. differenziali
di Maxwell sotto, con v velocità media delle particelle, N
numero
medio di particelle per unità di volume, m massa delle particelle.


Il sistema sopra descrive l’interazione tra campo elettromagnetico e
plasma (considerato come gas di elettroni), dove la penultima equazione
descrive la legge di Newton della dinamica, la densità di forza
di Lorenz, l’ultima equazione esprime la conservazione della carica,
considerando le prime tre equazioni nel dominio della frequenza si ha:


dove si è posto:


dove ωp è la pulsazione libera di plasma, frequenza sotto
la quale non dovrebbe essere possibile riuscire a far propagare l’onda
elettromagnetica attraverso il plasma, si ha quindi che tutti i segnali
a frequenza minore di quella libera di plasma vengono riflessi.


1.
Tali caratteristiche sono principalmente la velocità di propagazione
dell’onda nel mezzo e la conducibilità dello stesso, e sono
“riassunte” nella permittività dielettrica (funzione della frequenza)
e permeabilità magnetica.