CIRCOSTANTE LA TERRA IL SOLE E L AMBIENTE. Le fasce di Van Allen. La Ionosfera. Il Sole. La Magnetosfera. L atmosfera neutra

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Marianna Bertoni
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1 IL SOLE E L AMBIENTE L CIRCOSTANTE LA TERRA Il Sole L atmosfera neutra La Ionosfera La Magnetosfera Le fasce di Van Allen Trieste, Maggio

SOLE 1/6: dati G2 V Magnitudine = 4.8 M = 2 10 30 kg R = 6.96 10 8 m * Età = 4.5 10 9 anni Energia Totale = 4 10 33 erg/s Composizione = H 90% - He 10% - C,N,O 0.

2 SOLE 1/6: dati G2 V Magnitudine = 4.8 M = kg R = m * Età = anni Energia Totale = erg/s Composizione = H 90% - He 10% - C,N,O 0.1% * T core = K (se gravitazionale anni!) * Spettro Corpo Nero T = 4600 K ( quiet Sun ) * Distanza Terra/Sole = m = 1 A.U. * Trieste, Maggio

3 SOLE 2/6: spettro Spettro: * InfraRosso 52 % Visibile 41% NUV <7% EUV 0.1% Radio 0.1% X <0.1% Energia sulla Terra (Costante Solare) = 1370 W/m 2 * variazioni 1%, W/m 2 T ~ 1 % /anno ~ % Trieste, Maggio

4 zona radiativa * K, 0.86 R core * K, R /4, M /2, 99% energia SOLE 3/6: struttura zona convettiva ** K, R fotosfera ** K cromosfera * T >>, 10 R, n~10 10 p/cm 3 coronosfera * T >> / T<<, K, sistema solare n~10 5 p/cm 3 Trieste, Maggio

5 SOLE 4/6: attività solare w eq ~ rad/s * (T ~ 24.9 giorni) w poli ~ rad/s * (T ~ 31.5 giorni) Campo Magnetico (superficie) ~ 1 3 G G ATTIVITA SOLARE 7 13 anni Granuli ~ 1000 km, h ~ 0 km, τ ~ 8 min Mesogranuli ~ 7000 km Supergranuli ~ km, h ~ km, τ ~ 1 ora Granuli giganti ~ km Macchie solari ~ km (1000 G) Plages, Facula, Spicules, Prominences, Flares * Trieste, Maggio

SOLE 5/6: attività solare http://science.nasa.

6 SOLE 5/6: attività solare Trieste, Maggio

7 SOLE 6/6: vento solare p/e n e ~ n p ~ 5 cm -3 ~ 40 cm kg/s (10 12 anni per 0.1 M ) v ~ 400/500 km/s ~ 700 km/s direzione radiale B Φ = B o (R /r) 2 (w/v) (r- R ) campo magnetico interplanetario B r = B o (R /r) 2 Trieste, Maggio

8 Atmosfera Neutra 1/3 Trieste, Maggio

9 Atmosfera Neutra 2/3 Suddivisione per temperatura cinetica*: - Troposfera - Stratosfera - Mesosfera - Termosfera composizione: - Omosfera T ~ 6.5 o C/km - Eterosfera Trieste, Maggio

10 Atmosfera Neutra 3/3 Composizione chimica: - Azoto N 2 - Ossigeno O 2, O - He - n e Fino a ~100 km (volume): 78.08% N % O % Ar Trieste, Maggio

11 Misure atmosferiche: ρ,, v, T Pallone (30 35 km) Razzi Sonda o Esplosioni o Rilascio di Traccianti (Na) o Tubi di Pitot o Equazione Barometrica Satellite 1.E+01 1.E-02 1.E-05 1.E-08 solar maximum solar minimum average value Density (kg/m 3 ) o Misure orbitali o Strumenti 1.E-11 1.E Trieste, Maggio Height (km)

12 Tubo di Pitot A p = ρ z Hg g h A v A, p A B v B, p B z B p 1 = p + ρ v 2 / 2 p = ρ v 2 / 2 v, ρ eq. Bernoulli p A + ρgz A + ρv A 2 /2 = pb + ρgz B + ρv B 2 /2 = cost. Trieste, Maggio

13 Equazione Barometrica F g = µ g = G Mµ / R 2 = G Mµ /(R T +h) 2 = = GM/R T 2 µrt 2 / (RT +h) 2 = µ gr T 2 /(RT +h) 2 = g = g R T 2 / (RT +h) 2 Stratosfera: E = µg h = µhgr T 2 /(RT +h) 2 = µgh D ~ 7 km, h ~ h h = h R T 2 / (RT +h) 2 = altezza geopotenziale dn n ~ = e Nρ(E)dE E/kT = e µgh /kt ρ(e) (statistica = densita di Boltzmann) probabilita ρ(e) n 1 /n ~ 2 = e µg(h E/kT 1 -h2 )/kt (statistica di Boltzmann) ~ 29, h<100 km log(n 1 /n 2 )=-µg(h 1 -h 2 )/kt = -d/d eq. Barometrica µ ~ 16, h<1000 km D = kt/µg = altezza di scala, d = h 1 -h 2 ~ 4, h>1000 km Trieste, Maggio

14 OZONO 1/2 Strato fra (30 50) km O + O 2 + M O 3 + M ρ ~ 0.001% (volume) λ < 1760 Å (h ~ 100 km) λ < 2420 Å (h ~ 40 km) SAGE (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment) 1979: Antartide TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) Trieste, Maggio

15 OZONO 2/2 Trieste, Maggio

Airglow luminescenza atmosferica prodotta dall ossigeno* (100 160) km: O + O + M O 2 + M O 2 + O O 2 + O λ = 5577Å

16 Airglow luminescenza atmosferica prodotta dall ossigeno* ( ) km: O + O + M O 2 + M O 2 + O O 2 + O λ = 5577Å (aurorale, verde, h ~ 100 km) λ = 6300, 6364, 6391 Å (nebulari, tripletto rosso, h ~160 km) Trieste, Maggio

17 Ionosfera 1/4 Strato conduttivo 1901: Marconi estate latitudine intermedia massimo solare Trieste, Maggio

18 Ionosfera 2/4: Disturbi Maree e Venti Atmosferici o Strato D, E SID (Sudden Ionospheric Disturbances) o Strato D (onde corte) Tempeste Ionosferiche o Strato D (alta frequenza) Tempesta Aurorale Trieste, Maggio

19 Ionosfera 3/4 Processi di produzione e rimozione e - Produzione D (NO): Ly-α (1216 Å)* + raggi cosmici + SID o A + γ A + + e - (fotoionizzazione) E (O 2, NO, O): X molli ( Å) + EUV (<912 Å) F (O): EUV ( Å) Ricombinazione: n ione ~ n e prob. ~ n 2 e o A + + e - A + γ (r. associativa) o BC + + e - B + C (r. dissociativa) o D + e - D - (r. associativa)* o O + +O 2 O+O 2 + ; O2 + + e - O +O (scambio di carica) D Trieste, Maggio F*

20 Ionosfera 4/4: Densità Elettroniche log(n i,1 /n i,2 ) = - µ i g(h 1 -h 2 ) / k(t i +T e ) h>1000 km = - d/d D=k(T i +T e )/µ i g Log n e = -Log(e) d/d d = -D Log n e /Log(e) = d = -2.3 D Log n e altitude O + / He + electron density Trieste, Maggio

21 Onde Radio VS Ionosfera 1/2 Assorbimento energia / Rifrazione dell onda u = c 1 e 2 n e / πm e ν 2 cm -3 n = c/u = n e / ν 2 MHz n c e = ν 2 cos 2 i ν c = n e /cos i Trieste, Maggio

22 Ottica 1/2 n = ( µε ) ½ sin i / sin r = n / n µ = cost ε = E vacuum / E iono Ionosfera: plasma di elettroni, tenue, intrappolato in un forte campo magnetico B o, statico ed uniforme m d 2 x/dt 2 + e/c B o x dx/dt = -e E e -iωt Trieste, Maggio

23 Ottica 2/2 ε ± = 1 ω p 2 / ω(ω±ωb ) (+/- pol. circolare dx/sx) ω B = eb 0 / mc ~ s -1 ω p 2 = 4π NZ e 2 / m ~ s -1 n e n e n e max n e (h 1 ) Trieste, Maggio

24 Onde Radio VS Ionosfera 2/2 valutare n c e valutare ν c Layer / n e (cm -3 ) Night Day D 1.E+02 1.E+03 E 1.E+03 1.E+05 F1 1.E+04 3.E+05 F2 2.E+05 1.E+06 Trieste, Maggio

25 Esercizio Assumete (per z-z 0 D) con: a = m -3 z 0 = 300 km D = 200 km 1. valutare la densita di distribuzione degli elettroni (grf: n e vs h, h vs n e, n e Log scale) 2. calcolate analiticamente l altezza di riflessione per onde radio che si propagano verticalmente verso l alto Trieste, Maggio

Magnetosfera 1/3: dipolo magnetico B poli ~ (0.65 0.70) G B eq ~ (0.30 0.

26 Magnetosfera 1/3: dipolo magnetico B poli ~ ( ) G B eq ~ ( ) G B(r,λ) = B o 1 + sin 2 λ / r 3 * Variazioni: Scalari Transienti Trieste, Maggio

27 Magnetosfera 2/3 Trieste, Maggio

28 Magnetosfera 3/3 Trieste, Maggio

29 Cinture di Radiazione 1/3 Trieste, Maggio

30 Cinture di Radiazione 2/3 r = m part v ort c / eb B mirror = B 1 / sin 2 θ 1 Trieste, Maggio

31 Cinture di Radiazione 3/3 Inner Zone (< 2.5RE) Outer Zone (> 2.5RE) Proton flux dominates About 10 times higher electron flux in outer zone than inner zone Electron energies < 5 MeV Electron energies around 7 MeV Electron and proton fluxes peak at 1.5RE to 2.0RE Electron flux peaks at about 5RE Trieste, Maggio

32 Cinture di Radiazione: protoni Energy > 1 MeV r = m p v ort c / eb B mirror = B 1 / sin 2 θ 1 Energy > 100 MeV Trieste, Maggio

33 Cinture di Radiazione: elettroni E < 0.5 MeV r = m e v ort c / eb B mirror = B 1 / sin 2 θ 1 E > 0.5 MeV Trieste, Maggio

34 Aurora Trieste, Maggio

35 Onde Radio VS Ionosfera 2/2 f min MHz f max MHz f MHz N e C min cm -3 N e C max cm -3 N e C cm -3 HF 3.E+00 3.E+01 2.E E E E+06 VHF 5.E+01 1.E+02 8.E E E E+07 UHF 4.E+02 1.E+03 7.E E E E+09 µ w 3.E+03 1.E+05 5.E E E E+13 mm w 1.E+05 1.E+06 6.E E E E+15 IR 1.E+06 6.E+08 3.E E E E+21 LIGHT 6.E+08 8.E+08 7.E E E E+21 UV 8.E+08 1.E+11 5.E E E E+25 X RAYS 1.E+11 1.E+13 5.E E E E+29 γ RAYS 1.E+13 1.E+13 1.E E E E+30 valutare n c e valutare n c Layer / n e cm -3 Night Day f C Night MHz f C Day MHz D 1.E+02 1.E E E-01 E 1.E+03 1.E E E+00 F1 1.E+04 3.E E E+00 F2 2.E+05 1.E E E+00 Trieste, Maggio

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