La radiazione elettromagnetica e corpuscolare di origine solare dà luogo a complesse interazioni che interessano la magnetosfera e la ionosfera terrestre. In queste interazioni giocano un ruolo fondamentale i campi magnetici promanantisi dal Sole e dalla Terra, in uno spazio caratterizzato dalla presenza di plasma minoritario: qui la fisica della propagazione delle onde radio è molto interessante.
Obiettivo del corso è presentare una selezione dei fenomeni fisici più rilevanti che si esplicano in questo ambiente complesso, ove l'uomo dispiega sistemi tecnologici sofisticati, dal cui funzionamento le strutture della società contemporanea sono sempre più dipendenti. Lo Space Weather tratta dei problemi conseguenti alle perturbazioni dell’ambiente circumterrestre,
in particolare conseguenti al deterioramento delle condizioni radiopropagative della ionosfera.
Lo scopo finale è avvicinare lo studente alla fisica dei fenomeni, stimolandone l’interesse alla ricerca nel settore e proiettandolo verso le sfide contemporanee da raccogliere.
Obiettivo del corso è presentare una selezione dei fenomeni fisici più rilevanti che si esplicano in questo ambiente complesso, ove l'uomo dispiega sistemi tecnologici sofisticati, dal cui funzionamento le strutture della società contemporanea sono sempre più dipendenti. Lo Space Weather tratta dei problemi conseguenti alle perturbazioni dell’ambiente circumterrestre,
in particolare conseguenti al deterioramento delle condizioni radiopropagative della ionosfera.
Lo scopo finale è avvicinare lo studente alla fisica dei fenomeni, stimolandone l’interesse alla ricerca nel settore e proiettandolo verso le sfide contemporanee da raccogliere.
Curriculum
scheda docente materiale didattico
Programma del Corso di fisica della ionosfera e della magnetosfera
Docente: Carlo Scotto
La maggior parte degli argomenti è trattato sul libro di G.W. Prölss ("Physics of the Earth's Space Environment", ed. Springer).Viene fatto riferimento ai paragrafi di detto libro. I restanti argomenti sono riportati nelle note di lezione distribuite. In esse è riportata la relativa bibliografia dettagliata.
Introduzione: scopo del corso e presentazione degli argomenti trattati
1. Nozioni di fisica del plasma magneto-ionosferico
Frequenza di plasma, distanza di Debye e potenziale di Debye-Hückel, condizioni di plasma, libero cammino medio, indice di rifrazione di fase per le onde radio in un plasma senza collisioni e in assenza di campo magnetico, plasma non caldo (Note di lezione). (pag. 232, § 7.3.1, § 7.3.2, § 7.3.3) . Energia del campo elettromagnetico (Note di lezione ). Moto delle cariche elettriche in un campo magnetico: moto di girazione, il momento magnetico come invariante adiabatico, moto ove grad(B) è parallelo a B, bounce motion (§ 5.3.1, § 5.3.2, pp. 220-228), gradient drift motion (§ 5.3.2, pp. 228-229), neutral shift drift, drift E x B e conduttività del plasma in assenza di collisioni, drift sotto l'azione di forze esterne (§ 5.3.1, § 5.3.2, § 5.3.3 pp. 219-233).
2. Il mezzo interplanetario.
La corona solare e il vento solare (§ 6.1 e 6.1.1, pp. 278-282, compresi tutti i richiami). Struttura del vento solare a grande scala e sul piano dell'eclittica (§ 6.1.6). Il campo magnetico interplanetario: osservazioni e caratteristiche fisiche (§ 6.2.1, pp. 300-304). Il current sheet eliosferico (§ 6.2.4). Struttura a settori della componente polare di B (§ 6.2.5). Teorema di Alfvén (Appendice A.14, pp.484-487).
3. Magnetosfera
Il campo geomagnetico in prossimità della Terra (§ 5.2). Drift di curvatura (p. 233). Drift totale (p. 234-235). Moto composto dei portatori di cariche (§ 5.3.4). Popolazioni di particelle nella magnetosfera interna: fasce di radiazione, ring current, plasmasfera (§ 5.4).
Il campo geomagnetico distante: configurazione e classificazione, correnti sul lato diurno della magnetopausa, riflessione delle particelle e formazione della corrente, sistema di correnti nella coda geomagnetica (§ 5.5). Popolazione di particelle nella magnetosfera esterna: magnetotail plasma sheet, magnetotail lobe plasma, magnetospheric boundary layer (§ 5.6). Formazione del bow shock e cenno al magnetosheat (§ 6.4 introduzione e § 6.4.1, pp. 325-328).
4. Ionosfera
Processi di assorbimento, attenuazione della radiazione nei gas, deposizione di energia nell'alta atmosfera: funzione di Chapman. Ionosfera terrestre: cenni storici, profilo verticale di densità elettronica, temperatura ionosferica, produzione e scomparsa di ionizzazione, regioni ionosferiche, equilibrio elettronico, profilo verticale di densità elettronica nella regione E e nella regione F2. (§ 3.2; introduzione del cap 4, § 4.1, § 4.2, § 4.3). Morfologia della ionosfera: le cuspidi sulla traccia degli ionogrammi e le regioni ionosferiche (Note di lezione). Variazioni regolari della ionosfera: strati E ed F1(Note di lezione). Variazioni irregolari della ionosfera: strato F2 (Note di lezione ). Strato E sporadico (Note di lezione ). Modello fotochimico semplificato per le regioni E ed F: strato F1 (Note di lezione). Modello fotochimico semplificato per la regione D (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio con collisioni ed in assenza di campo magnetico; interpretazione della parte immaginaria dell'indice di rifrazione: l'assorbimento (Note di lezione). Solar flares e short waves fadeout (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato F1 (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato E (Note di lezione).
5. Teoria Magnetoionica
Introduzione. Equazioni costitutive per un plasma freddo con collisioni ed in presenza di un campo magnetico (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, trascurando le collisioni e considerando il campo magnetico terrestre: equazione di Appleton-Hartree (Note di lezione). Continuità di nf in X=1. Gli zeri dell'equazione di Appleton-Hartree senza collisioni: caso di propagazione longitudinale, trasversale e generale (Note di lezione). Polarizzazione: continuità in X=1 nel caso generale e nel caso di propagazione longitudinale. Polarizzazione in propagazione longitudinale: dipendenza dal segno di YL. Polarizzazione in condizioni generali, per X=1 (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, considerando le collisioni e il campo magnetico terrestre. Cenno alla polarizzazione nel caso collisionale. Curve di (X) con collisioni: importanza della regola di Booker (Note di lezione). Condizioni di riflessione e ionogrammi, traccia ordinaria, straordinaria. Raggio Z (Note di lezione). Esempi di ionogrammi (Note di lezione)
Così come indicato nelle note di lezione, il materiale di questa unità didattica si trova su: Ratcliffe, J. A. (1959), The magneto-Ionic Theory and its Applications to the Ionosphere, Cambridge University Press.
6. Assorbimento e dissipazione dell'energia del vento solare
Topologia dell'alta atmosfera polare (§ 7.1). Campi elettrici, e convezione del plasema (§ 7.2). Conduttività e correnti nella ionosfera polare (§ 7.3). Aurore polari: dissipazione dell'energia delle particelle aurorali, origine delle particelle aurorali, aurora diffusa e discreta(§ 7. 4). Solar Wind Dynamo (§ 7.6.1), magnetosfera aperta(§ 7.6.2), convezione del plasma nella magnetosfera aperta (§ 7.6.3), magnetosfera aperta con coda (§ 7.6.4), cenno alla riconnessione (parte del § 7.6.5), correnti di Birkeland nelle regioni 1 e 2 (§ 7.6.6).
7. Tempeste geosferiche
Tempeste magnetiche: variazione regolari, elettrogetto equatoriale, attività magnetica alle basse, alte e medie latitudini, indici geomagnetici (§ 8.1). Sottotempeste magnetiche: fase di crescita e espansione, onde di Alvfèn e loro ruolo (§ 8.3). Tempeste ionosferiche: tempeste negative e positive (§ 8.5).
2) Appunti di lezione.
Programma
Università degli Studi Roma Tre - A.A. 2019-2020Programma del Corso di fisica della ionosfera e della magnetosfera
Docente: Carlo Scotto
La maggior parte degli argomenti è trattato sul libro di G.W. Prölss ("Physics of the Earth's Space Environment", ed. Springer).Viene fatto riferimento ai paragrafi di detto libro. I restanti argomenti sono riportati nelle note di lezione distribuite. In esse è riportata la relativa bibliografia dettagliata.
Introduzione: scopo del corso e presentazione degli argomenti trattati
1. Nozioni di fisica del plasma magneto-ionosferico
Frequenza di plasma, distanza di Debye e potenziale di Debye-Hückel, condizioni di plasma, libero cammino medio, indice di rifrazione di fase per le onde radio in un plasma senza collisioni e in assenza di campo magnetico, plasma non caldo (Note di lezione). (pag. 232, § 7.3.1, § 7.3.2, § 7.3.3) . Energia del campo elettromagnetico (Note di lezione ). Moto delle cariche elettriche in un campo magnetico: moto di girazione, il momento magnetico come invariante adiabatico, moto ove grad(B) è parallelo a B, bounce motion (§ 5.3.1, § 5.3.2, pp. 220-228), gradient drift motion (§ 5.3.2, pp. 228-229), neutral shift drift, drift E x B e conduttività del plasma in assenza di collisioni, drift sotto l'azione di forze esterne (§ 5.3.1, § 5.3.2, § 5.3.3 pp. 219-233).
2. Il mezzo interplanetario.
La corona solare e il vento solare (§ 6.1 e 6.1.1, pp. 278-282, compresi tutti i richiami). Struttura del vento solare a grande scala e sul piano dell'eclittica (§ 6.1.6). Il campo magnetico interplanetario: osservazioni e caratteristiche fisiche (§ 6.2.1, pp. 300-304). Il current sheet eliosferico (§ 6.2.4). Struttura a settori della componente polare di B (§ 6.2.5). Teorema di Alfvén (Appendice A.14, pp.484-487).
3. Magnetosfera
Il campo geomagnetico in prossimità della Terra (§ 5.2). Drift di curvatura (p. 233). Drift totale (p. 234-235). Moto composto dei portatori di cariche (§ 5.3.4). Popolazioni di particelle nella magnetosfera interna: fasce di radiazione, ring current, plasmasfera (§ 5.4).
Il campo geomagnetico distante: configurazione e classificazione, correnti sul lato diurno della magnetopausa, riflessione delle particelle e formazione della corrente, sistema di correnti nella coda geomagnetica (§ 5.5). Popolazione di particelle nella magnetosfera esterna: magnetotail plasma sheet, magnetotail lobe plasma, magnetospheric boundary layer (§ 5.6). Formazione del bow shock e cenno al magnetosheat (§ 6.4 introduzione e § 6.4.1, pp. 325-328).
4. Ionosfera
Processi di assorbimento, attenuazione della radiazione nei gas, deposizione di energia nell'alta atmosfera: funzione di Chapman. Ionosfera terrestre: cenni storici, profilo verticale di densità elettronica, temperatura ionosferica, produzione e scomparsa di ionizzazione, regioni ionosferiche, equilibrio elettronico, profilo verticale di densità elettronica nella regione E e nella regione F2. (§ 3.2; introduzione del cap 4, § 4.1, § 4.2, § 4.3). Morfologia della ionosfera: le cuspidi sulla traccia degli ionogrammi e le regioni ionosferiche (Note di lezione). Variazioni regolari della ionosfera: strati E ed F1(Note di lezione). Variazioni irregolari della ionosfera: strato F2 (Note di lezione ). Strato E sporadico (Note di lezione ). Modello fotochimico semplificato per le regioni E ed F: strato F1 (Note di lezione). Modello fotochimico semplificato per la regione D (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio con collisioni ed in assenza di campo magnetico; interpretazione della parte immaginaria dell'indice di rifrazione: l'assorbimento (Note di lezione). Solar flares e short waves fadeout (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato F1 (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato E (Note di lezione).
5. Teoria Magnetoionica
Introduzione. Equazioni costitutive per un plasma freddo con collisioni ed in presenza di un campo magnetico (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, trascurando le collisioni e considerando il campo magnetico terrestre: equazione di Appleton-Hartree (Note di lezione). Continuità di nf in X=1. Gli zeri dell'equazione di Appleton-Hartree senza collisioni: caso di propagazione longitudinale, trasversale e generale (Note di lezione). Polarizzazione: continuità in X=1 nel caso generale e nel caso di propagazione longitudinale. Polarizzazione in propagazione longitudinale: dipendenza dal segno di YL. Polarizzazione in condizioni generali, per X=1 (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, considerando le collisioni e il campo magnetico terrestre. Cenno alla polarizzazione nel caso collisionale. Curve di (X) con collisioni: importanza della regola di Booker (Note di lezione). Condizioni di riflessione e ionogrammi, traccia ordinaria, straordinaria. Raggio Z (Note di lezione). Esempi di ionogrammi (Note di lezione)
Così come indicato nelle note di lezione, il materiale di questa unità didattica si trova su: Ratcliffe, J. A. (1959), The magneto-Ionic Theory and its Applications to the Ionosphere, Cambridge University Press.
6. Assorbimento e dissipazione dell'energia del vento solare
Topologia dell'alta atmosfera polare (§ 7.1). Campi elettrici, e convezione del plasema (§ 7.2). Conduttività e correnti nella ionosfera polare (§ 7.3). Aurore polari: dissipazione dell'energia delle particelle aurorali, origine delle particelle aurorali, aurora diffusa e discreta(§ 7. 4). Solar Wind Dynamo (§ 7.6.1), magnetosfera aperta(§ 7.6.2), convezione del plasma nella magnetosfera aperta (§ 7.6.3), magnetosfera aperta con coda (§ 7.6.4), cenno alla riconnessione (parte del § 7.6.5), correnti di Birkeland nelle regioni 1 e 2 (§ 7.6.6).
7. Tempeste geosferiche
Tempeste magnetiche: variazione regolari, elettrogetto equatoriale, attività magnetica alle basse, alte e medie latitudini, indici geomagnetici (§ 8.1). Sottotempeste magnetiche: fase di crescita e espansione, onde di Alvfèn e loro ruolo (§ 8.3). Tempeste ionosferiche: tempeste negative e positive (§ 8.5).
Testi Adottati
1) G.W. Prölss "Physics of the Earth's Space Environment"2) Appunti di lezione.
Bibliografia Di Riferimento
La bibliografia è da intendersi utile come possibile approfondimento delle note di lezione. Le notedi lezione sono schematiche. Per ogni singolo argomento riportato nelle note di lezione è indicata la bibliografia di riferimento. Questo ha lo scopo principale di consentire, specialmente allo studente che non abbia seguito il corso di prepararsi a sostenere l'esame. 1) J. A. Ratcliffe "The magneto-ionic theory & its applications to the ionosphere" 2) M. Kelley, "The Earth's Ionosphere" 3) J. K. Hargreaves "The solar terrestrial environment" 4) Leo F. McNamara, "The ionosphere, Communications, Surveillance and Direction Finding", Krieger Publishing CompanyModalità Erogazione
La materia trattata nel corso di "Fisica della ionosfera e della magnetosfera", richiede l'illustrazione di figure e schemi complessi. Essi non possono essere riprodotti, in tutti i casi, manualmente sulla lavagna in modo efficacieper cui si deve ricorrere alla proiezione di diapositive (slides). Le diapositive hanno anche un' altra funzione: con esse si mostrano spesso degli schemi logici, attraverso i quali si cerca di focalizzare l'attenzione dello studente sui punti salienti delle trattazioni, sulle ipotesi dei ragionamenti, sui i dati sperimentali che vengono assunti e su quanto, di volta in volta, si intende dimostrare. Una volta che la diapositiva di riferimento è stata proiettata, la trattazione prosegue in modo tradizionale alla lavagna, anche con lo svoglimento dei necessari passaggi matematici. Alcuni argomenti che sul testo di riferimento sono presentati in forma teorica, vengono invece proposti in forma di esercizio o di problema. Si crea così l'occasione per valutare se i risultati ottenuti siano plausibili e per focalizzare sull'ordine di grandezza dei diversi parametri fisici coinvolti. Una uscita di istruzione viene poi solitamente effettuata alla fine del corso, per visitare i laboratori dell' Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). Vengono presentati agli studenti, in modo diretto, i sistemi di acquisizione ed elaborazione di dati magnetici ed ionosferici, nonché i servizi in ambito Space Weather dell' INGV. Con l'occasione si mostrano attraverso l'internet anche i servizi di altre istituzioni nazionali ed internazionali. Si intende così richiamare l'attenzione degli studenti sul valore applicativo delle nozioni apprese durante il corso, sull' interesse verso lo Space Weather, sui notevoli investimenti che esso richiama e sul fatto che molteplici collaborazioni internazionali sono attive in detto settore.Modalità Frequenza
La frequenza del corso non è obbligatoria, anche se consigliata. Il programma è svolto facendo riferimento in massima parte al libro ti testo "Physics of The Earth's Space Environment" di Gerd. W. Prölss. Gli argomenti trattati nel corso, non compresi in questo libro di testo, sono riassunti nelle note di lezione distribuite. In queste note viene riportata precisa bibliografia. Lo studio del libro di testo e delle note di lezione, eventualmente approfondito con lo studio della bibliografia, consente anche allo studente che non abbia seguito il corso di sostenere l'esame. Non è stato possibile fare esperienza con studenti che non abbiano seguito il corso: fino ad oggi tutti gli studenti che hanno sostenuto l'esame avevano seguito le lezioni.Modalità Valutazione
L'esame viene svolto in forma orale tradizionale. Vengono solitamente rivolte allo studente tre domande su argomenti piuttosto ampi, trattati a lezione, ed esplicitamente indicati nel programma. Le domande sono poste in maniera tale da consentire una risposta con diversi gradi di approfondimento, permettendo allo studente di mostrare il livello di competenza raggiunta sull'argomento richiesto. Per ciascuna domanda principale, possono essere poste domande successive per richiedere precisazioni. Le domande successive, sono utili soprattutto per capire se una possibile esposizione troppo superficiale, è da porsi in relazione all'acquisizione approssimativa delle competenze oppure ad un eccessivo desiderio di sintesi. Allo studente non viene richiesto di svolgere esercizi o problemi durante l'esame orale, oltre a quelli discussi a lezione con, al più, qualche minima variante. scheda docente materiale didattico
Programma del Corso di fisica della ionosfera e della magnetosfera
Docente: Carlo Scotto
La maggior parte degli argomenti è trattato sul libro di G.W. Prölss ("Physics of the Earth's Space Environment", ed. Springer).Viene fatto riferimento ai paragrafi di detto libro. I restanti argomenti sono riportati nelle note di lezione distribuite. In esse è riportata la relativa bibliografia dettagliata.
Introduzione: scopo del corso e presentazione degli argomenti trattati
1. Nozioni di fisica del plasma magneto-ionosferico
Frequenza di plasma, distanza di Debye e potenziale di Debye-Hückel, condizioni di plasma, libero cammino medio, indice di rifrazione di fase per le onde radio in un plasma senza collisioni e in assenza di campo magnetico, plasma non caldo (Note di lezione). (pag. 232, § 7.3.1, § 7.3.2, § 7.3.3) . Energia del campo elettromagnetico (Note di lezione ). Moto delle cariche elettriche in un campo magnetico: moto di girazione, il momento magnetico come invariante adiabatico, moto ove grad(B) è parallelo a B, bounce motion (§ 5.3.1, § 5.3.2, pp. 220-228), gradient drift motion (§ 5.3.2, pp. 228-229), neutral shift drift, drift E x B e conduttività del plasma in assenza di collisioni, drift sotto l'azione di forze esterne (§ 5.3.1, § 5.3.2, § 5.3.3 pp. 219-233).
2. Il mezzo interplanetario.
La corona solare e il vento solare (§ 6.1 e 6.1.1, pp. 278-282, compresi tutti i richiami). Struttura del vento solare a grande scala e sul piano dell'eclittica (§ 6.1.6). Il campo magnetico interplanetario: osservazioni e caratteristiche fisiche (§ 6.2.1, pp. 300-304). Il current sheet eliosferico (§ 6.2.4). Struttura a settori della componente polare di B (§ 6.2.5). Teorema di Alfvén (Appendice A.14, pp.484-487).
3. Magnetosfera
Il campo geomagnetico in prossimità della Terra (§ 5.2). Drift di curvatura (p. 233). Drift totale (p. 234-235). Moto composto dei portatori di cariche (§ 5.3.4). Popolazioni di particelle nella magnetosfera interna: fasce di radiazione, ring current, plasmasfera (§ 5.4).
Il campo geomagnetico distante: configurazione e classificazione, correnti sul lato diurno della magnetopausa, riflessione delle particelle e formazione della corrente, sistema di correnti nella coda geomagnetica (§ 5.5). Popolazione di particelle nella magnetosfera esterna: magnetotail plasma sheet, magnetotail lobe plasma, magnetospheric boundary layer (§ 5.6). Formazione del bow shock e cenno al magnetosheat (§ 6.4 introduzione e § 6.4.1, pp. 325-328).
4. Ionosfera
Processi di assorbimento, attenuazione della radiazione nei gas, deposizione di energia nell'alta atmosfera: funzione di Chapman. Ionosfera terrestre: cenni storici, profilo verticale di densità elettronica, temperatura ionosferica, produzione e scomparsa di ionizzazione, regioni ionosferiche, equilibrio elettronico, profilo verticale di densità elettronica nella regione E e nella regione F2. (§ 3.2; introduzione del cap 4, § 4.1, § 4.2, § 4.3). Morfologia della ionosfera: le cuspidi sulla traccia degli ionogrammi e le regioni ionosferiche (Note di lezione). Variazioni regolari della ionosfera: strati E ed F1(Note di lezione). Variazioni irregolari della ionosfera: strato F2 (Note di lezione ). Strato E sporadico (Note di lezione ). Modello fotochimico semplificato per le regioni E ed F: strato F1 (Note di lezione). Modello fotochimico semplificato per la regione D (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio con collisioni ed in assenza di campo magnetico; interpretazione della parte immaginaria dell'indice di rifrazione: l'assorbimento (Note di lezione). Solar flares e short waves fadeout (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato F1 (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato E (Note di lezione).
5. Teoria Magnetoionica
Introduzione. Equazioni costitutive per un plasma freddo con collisioni ed in presenza di un campo magnetico (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, trascurando le collisioni e considerando il campo magnetico terrestre: equazione di Appleton-Hartree (Note di lezione). Continuità di nf in X=1. Gli zeri dell'equazione di Appleton-Hartree senza collisioni: caso di propagazione longitudinale, trasversale e generale (Note di lezione). Polarizzazione: continuità in X=1 nel caso generale e nel caso di propagazione longitudinale. Polarizzazione in propagazione longitudinale: dipendenza dal segno di YL. Polarizzazione in condizioni generali, per X=1 (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, considerando le collisioni e il campo magnetico terrestre. Cenno alla polarizzazione nel caso collisionale. Curve di (X) con collisioni: importanza della regola di Booker (Note di lezione). Condizioni di riflessione e ionogrammi, traccia ordinaria, straordinaria. Raggio Z (Note di lezione). Esempi di ionogrammi (Note di lezione)
Così come indicato nelle note di lezione, il materiale di questa unità didattica si trova su: Ratcliffe, J. A. (1959), The magneto-Ionic Theory and its Applications to the Ionosphere, Cambridge University Press.
6. Assorbimento e dissipazione dell'energia del vento solare
Topologia dell'alta atmosfera polare (§ 7.1). Campi elettrici, e convezione del plasema (§ 7.2). Conduttività e correnti nella ionosfera polare (§ 7.3). Aurore polari: dissipazione dell'energia delle particelle aurorali, origine delle particelle aurorali, aurora diffusa e discreta(§ 7. 4). Solar Wind Dynamo (§ 7.6.1), magnetosfera aperta(§ 7.6.2), convezione del plasma nella magnetosfera aperta (§ 7.6.3), magnetosfera aperta con coda (§ 7.6.4), cenno alla riconnessione (parte del § 7.6.5), correnti di Birkeland nelle regioni 1 e 2 (§ 7.6.6).
7. Tempeste geosferiche
Tempeste magnetiche: variazione regolari, elettrogetto equatoriale, attività magnetica alle basse, alte e medie latitudini, indici geomagnetici (§ 8.1). Sottotempeste magnetiche: fase di crescita e espansione, onde di Alvfèn e loro ruolo (§ 8.3). Tempeste ionosferiche: tempeste negative e positive (§ 8.5).
2) Appunti di lezione.
Programma
Università degli Studi Roma Tre - A.A. 2019-2020Programma del Corso di fisica della ionosfera e della magnetosfera
Docente: Carlo Scotto
La maggior parte degli argomenti è trattato sul libro di G.W. Prölss ("Physics of the Earth's Space Environment", ed. Springer).Viene fatto riferimento ai paragrafi di detto libro. I restanti argomenti sono riportati nelle note di lezione distribuite. In esse è riportata la relativa bibliografia dettagliata.
Introduzione: scopo del corso e presentazione degli argomenti trattati
1. Nozioni di fisica del plasma magneto-ionosferico
Frequenza di plasma, distanza di Debye e potenziale di Debye-Hückel, condizioni di plasma, libero cammino medio, indice di rifrazione di fase per le onde radio in un plasma senza collisioni e in assenza di campo magnetico, plasma non caldo (Note di lezione). (pag. 232, § 7.3.1, § 7.3.2, § 7.3.3) . Energia del campo elettromagnetico (Note di lezione ). Moto delle cariche elettriche in un campo magnetico: moto di girazione, il momento magnetico come invariante adiabatico, moto ove grad(B) è parallelo a B, bounce motion (§ 5.3.1, § 5.3.2, pp. 220-228), gradient drift motion (§ 5.3.2, pp. 228-229), neutral shift drift, drift E x B e conduttività del plasma in assenza di collisioni, drift sotto l'azione di forze esterne (§ 5.3.1, § 5.3.2, § 5.3.3 pp. 219-233).
2. Il mezzo interplanetario.
La corona solare e il vento solare (§ 6.1 e 6.1.1, pp. 278-282, compresi tutti i richiami). Struttura del vento solare a grande scala e sul piano dell'eclittica (§ 6.1.6). Il campo magnetico interplanetario: osservazioni e caratteristiche fisiche (§ 6.2.1, pp. 300-304). Il current sheet eliosferico (§ 6.2.4). Struttura a settori della componente polare di B (§ 6.2.5). Teorema di Alfvén (Appendice A.14, pp.484-487).
3. Magnetosfera
Il campo geomagnetico in prossimità della Terra (§ 5.2). Drift di curvatura (p. 233). Drift totale (p. 234-235). Moto composto dei portatori di cariche (§ 5.3.4). Popolazioni di particelle nella magnetosfera interna: fasce di radiazione, ring current, plasmasfera (§ 5.4).
Il campo geomagnetico distante: configurazione e classificazione, correnti sul lato diurno della magnetopausa, riflessione delle particelle e formazione della corrente, sistema di correnti nella coda geomagnetica (§ 5.5). Popolazione di particelle nella magnetosfera esterna: magnetotail plasma sheet, magnetotail lobe plasma, magnetospheric boundary layer (§ 5.6). Formazione del bow shock e cenno al magnetosheat (§ 6.4 introduzione e § 6.4.1, pp. 325-328).
4. Ionosfera
Processi di assorbimento, attenuazione della radiazione nei gas, deposizione di energia nell'alta atmosfera: funzione di Chapman. Ionosfera terrestre: cenni storici, profilo verticale di densità elettronica, temperatura ionosferica, produzione e scomparsa di ionizzazione, regioni ionosferiche, equilibrio elettronico, profilo verticale di densità elettronica nella regione E e nella regione F2. (§ 3.2; introduzione del cap 4, § 4.1, § 4.2, § 4.3). Morfologia della ionosfera: le cuspidi sulla traccia degli ionogrammi e le regioni ionosferiche (Note di lezione). Variazioni regolari della ionosfera: strati E ed F1(Note di lezione). Variazioni irregolari della ionosfera: strato F2 (Note di lezione ). Strato E sporadico (Note di lezione ). Modello fotochimico semplificato per le regioni E ed F: strato F1 (Note di lezione). Modello fotochimico semplificato per la regione D (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio con collisioni ed in assenza di campo magnetico; interpretazione della parte immaginaria dell'indice di rifrazione: l'assorbimento (Note di lezione). Solar flares e short waves fadeout (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato F1 (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato E (Note di lezione).
5. Teoria Magnetoionica
Introduzione. Equazioni costitutive per un plasma freddo con collisioni ed in presenza di un campo magnetico (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, trascurando le collisioni e considerando il campo magnetico terrestre: equazione di Appleton-Hartree (Note di lezione). Continuità di nf in X=1. Gli zeri dell'equazione di Appleton-Hartree senza collisioni: caso di propagazione longitudinale, trasversale e generale (Note di lezione). Polarizzazione: continuità in X=1 nel caso generale e nel caso di propagazione longitudinale. Polarizzazione in propagazione longitudinale: dipendenza dal segno di YL. Polarizzazione in condizioni generali, per X=1 (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, considerando le collisioni e il campo magnetico terrestre. Cenno alla polarizzazione nel caso collisionale. Curve di (X) con collisioni: importanza della regola di Booker (Note di lezione). Condizioni di riflessione e ionogrammi, traccia ordinaria, straordinaria. Raggio Z (Note di lezione). Esempi di ionogrammi (Note di lezione)
Così come indicato nelle note di lezione, il materiale di questa unità didattica si trova su: Ratcliffe, J. A. (1959), The magneto-Ionic Theory and its Applications to the Ionosphere, Cambridge University Press.
6. Assorbimento e dissipazione dell'energia del vento solare
Topologia dell'alta atmosfera polare (§ 7.1). Campi elettrici, e convezione del plasema (§ 7.2). Conduttività e correnti nella ionosfera polare (§ 7.3). Aurore polari: dissipazione dell'energia delle particelle aurorali, origine delle particelle aurorali, aurora diffusa e discreta(§ 7. 4). Solar Wind Dynamo (§ 7.6.1), magnetosfera aperta(§ 7.6.2), convezione del plasma nella magnetosfera aperta (§ 7.6.3), magnetosfera aperta con coda (§ 7.6.4), cenno alla riconnessione (parte del § 7.6.5), correnti di Birkeland nelle regioni 1 e 2 (§ 7.6.6).
7. Tempeste geosferiche
Tempeste magnetiche: variazione regolari, elettrogetto equatoriale, attività magnetica alle basse, alte e medie latitudini, indici geomagnetici (§ 8.1). Sottotempeste magnetiche: fase di crescita e espansione, onde di Alvfèn e loro ruolo (§ 8.3). Tempeste ionosferiche: tempeste negative e positive (§ 8.5).
Testi Adottati
1) G.W. Prölss "Physics of the Earth's Space Environment"2) Appunti di lezione.
Bibliografia Di Riferimento
La bibliografia è da intendersi utile come possibile approfondimento delle note di lezione. Le notedi lezione sono schematiche. Per ogni singolo argomento riportato nelle note di lezione è indicata la bibliografia di riferimento. Questo ha lo scopo principale di consentire, specialmente allo studente che non abbia seguito il corso di prepararsi a sostenere l'esame. 1) J. A. Ratcliffe "The magneto-ionic theory & its applications to the ionosphere" 2) M. Kelley, "The Earth's Ionosphere" 3) J. K. Hargreaves "The solar terrestrial environment" 4) Leo F. McNamara, "The ionosphere, Communications, Surveillance and Direction Finding", Krieger Publishing CompanyModalità Erogazione
La materia trattata nel corso di "Fisica della ionosfera e della magnetosfera", richiede l'illustrazione di figure e schemi complessi. Essi non possono essere riprodotti, in tutti i casi, manualmente sulla lavagna in modo efficacieper cui si deve ricorrere alla proiezione di diapositive (slides). Le diapositive hanno anche un' altra funzione: con esse si mostrano spesso degli schemi logici, attraverso i quali si cerca di focalizzare l'attenzione dello studente sui punti salienti delle trattazioni, sulle ipotesi dei ragionamenti, sui i dati sperimentali che vengono assunti e su quanto, di volta in volta, si intende dimostrare. Una volta che la diapositiva di riferimento è stata proiettata, la trattazione prosegue in modo tradizionale alla lavagna, anche con lo svoglimento dei necessari passaggi matematici. Alcuni argomenti che sul testo di riferimento sono presentati in forma teorica, vengono invece proposti in forma di esercizio o di problema. Si crea così l'occasione per valutare se i risultati ottenuti siano plausibili e per focalizzare sull'ordine di grandezza dei diversi parametri fisici coinvolti. Una uscita di istruzione viene poi solitamente effettuata alla fine del corso, per visitare i laboratori dell' Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). Vengono presentati agli studenti, in modo diretto, i sistemi di acquisizione ed elaborazione di dati magnetici ed ionosferici, nonché i servizi in ambito Space Weather dell' INGV. Con l'occasione si mostrano attraverso l'internet anche i servizi di altre istituzioni nazionali ed internazionali. Si intende così richiamare l'attenzione degli studenti sul valore applicativo delle nozioni apprese durante il corso, sull' interesse verso lo Space Weather, sui notevoli investimenti che esso richiama e sul fatto che molteplici collaborazioni internazionali sono attive in detto settore.Modalità Frequenza
La frequenza del corso non è obbligatoria, anche se consigliata. Il programma è svolto facendo riferimento in massima parte al libro ti testo "Physics of The Earth's Space Environment" di Gerd. W. Prölss. Gli argomenti trattati nel corso, non compresi in questo libro di testo, sono riassunti nelle note di lezione distribuite. In queste note viene riportata precisa bibliografia. Lo studio del libro di testo e delle note di lezione, eventualmente approfondito con lo studio della bibliografia, consente anche allo studente che non abbia seguito il corso di sostenere l'esame. Non è stato possibile fare esperienza con studenti che non abbiano seguito il corso: fino ad oggi tutti gli studenti che hanno sostenuto l'esame avevano seguito le lezioni.Modalità Valutazione
L'esame viene svolto in forma orale tradizionale. Vengono solitamente rivolte allo studente tre domande su argomenti piuttosto ampi, trattati a lezione, ed esplicitamente indicati nel programma. Le domande sono poste in maniera tale da consentire una risposta con diversi gradi di approfondimento, permettendo allo studente di mostrare il livello di competenza raggiunta sull'argomento richiesto. Per ciascuna domanda principale, possono essere poste domande successive per richiedere precisazioni. Le domande successive, sono utili soprattutto per capire se una possibile esposizione troppo superficiale, è da porsi in relazione all'acquisizione approssimativa delle competenze oppure ad un eccessivo desiderio di sintesi. Allo studente non viene richiesto di svolgere esercizi o problemi durante l'esame orale, oltre a quelli discussi a lezione con, al più, qualche minima variante. scheda docente materiale didattico
Programma del Corso di fisica della ionosfera e della magnetosfera
Docente: Carlo Scotto
La maggior parte degli argomenti è trattato sul libro di G.W. Prölss ("Physics of the Earth's Space Environment", ed. Springer).Viene fatto riferimento ai paragrafi di detto libro. I restanti argomenti sono riportati nelle note di lezione distribuite. In esse è riportata la relativa bibliografia dettagliata.
Introduzione: scopo del corso e presentazione degli argomenti trattati
1. Nozioni di fisica del plasma magneto-ionosferico
Frequenza di plasma, distanza di Debye e potenziale di Debye-Hückel, condizioni di plasma, libero cammino medio, indice di rifrazione di fase per le onde radio in un plasma senza collisioni e in assenza di campo magnetico, plasma non caldo (Note di lezione). (pag. 232, § 7.3.1, § 7.3.2, § 7.3.3) . Energia del campo elettromagnetico (Note di lezione ). Moto delle cariche elettriche in un campo magnetico: moto di girazione, il momento magnetico come invariante adiabatico, moto ove grad(B) è parallelo a B, bounce motion (§ 5.3.1, § 5.3.2, pp. 220-228), gradient drift motion (§ 5.3.2, pp. 228-229), neutral shift drift, drift E x B e conduttività del plasma in assenza di collisioni, drift sotto l'azione di forze esterne (§ 5.3.1, § 5.3.2, § 5.3.3 pp. 219-233).
2. Il mezzo interplanetario.
La corona solare e il vento solare (§ 6.1 e 6.1.1, pp. 278-282, compresi tutti i richiami). Struttura del vento solare a grande scala e sul piano dell'eclittica (§ 6.1.6). Il campo magnetico interplanetario: osservazioni e caratteristiche fisiche (§ 6.2.1, pp. 300-304). Il current sheet eliosferico (§ 6.2.4). Struttura a settori della componente polare di B (§ 6.2.5). Teorema di Alfvén (Appendice A.14, pp.484-487).
3. Magnetosfera
Il campo geomagnetico in prossimità della Terra (§ 5.2). Drift di curvatura (p. 233). Drift totale (p. 234-235). Moto composto dei portatori di cariche (§ 5.3.4). Popolazioni di particelle nella magnetosfera interna: fasce di radiazione, ring current, plasmasfera (§ 5.4).
Il campo geomagnetico distante: configurazione e classificazione, correnti sul lato diurno della magnetopausa, riflessione delle particelle e formazione della corrente, sistema di correnti nella coda geomagnetica (§ 5.5). Popolazione di particelle nella magnetosfera esterna: magnetotail plasma sheet, magnetotail lobe plasma, magnetospheric boundary layer (§ 5.6). Formazione del bow shock e cenno al magnetosheat (§ 6.4 introduzione e § 6.4.1, pp. 325-328).
4. Ionosfera
Processi di assorbimento, attenuazione della radiazione nei gas, deposizione di energia nell'alta atmosfera: funzione di Chapman. Ionosfera terrestre: cenni storici, profilo verticale di densità elettronica, temperatura ionosferica, produzione e scomparsa di ionizzazione, regioni ionosferiche, equilibrio elettronico, profilo verticale di densità elettronica nella regione E e nella regione F2. (§ 3.2; introduzione del cap 4, § 4.1, § 4.2, § 4.3). Morfologia della ionosfera: le cuspidi sulla traccia degli ionogrammi e le regioni ionosferiche (Note di lezione). Variazioni regolari della ionosfera: strati E ed F1(Note di lezione). Variazioni irregolari della ionosfera: strato F2 (Note di lezione ). Strato E sporadico (Note di lezione ). Modello fotochimico semplificato per le regioni E ed F: strato F1 (Note di lezione). Modello fotochimico semplificato per la regione D (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio con collisioni ed in assenza di campo magnetico; interpretazione della parte immaginaria dell'indice di rifrazione: l'assorbimento (Note di lezione). Solar flares e short waves fadeout (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato F1 (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato E (Note di lezione).
5. Teoria Magnetoionica
Introduzione. Equazioni costitutive per un plasma freddo con collisioni ed in presenza di un campo magnetico (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, trascurando le collisioni e considerando il campo magnetico terrestre: equazione di Appleton-Hartree (Note di lezione). Continuità di nf in X=1. Gli zeri dell'equazione di Appleton-Hartree senza collisioni: caso di propagazione longitudinale, trasversale e generale (Note di lezione). Polarizzazione: continuità in X=1 nel caso generale e nel caso di propagazione longitudinale. Polarizzazione in propagazione longitudinale: dipendenza dal segno di YL. Polarizzazione in condizioni generali, per X=1 (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, considerando le collisioni e il campo magnetico terrestre. Cenno alla polarizzazione nel caso collisionale. Curve di (X) con collisioni: importanza della regola di Booker (Note di lezione). Condizioni di riflessione e ionogrammi, traccia ordinaria, straordinaria. Raggio Z (Note di lezione). Esempi di ionogrammi (Note di lezione)
Così come indicato nelle note di lezione, il materiale di questa unità didattica si trova su: Ratcliffe, J. A. (1959), The magneto-Ionic Theory and its Applications to the Ionosphere, Cambridge University Press.
6. Assorbimento e dissipazione dell'energia del vento solare
Topologia dell'alta atmosfera polare (§ 7.1). Campi elettrici, e convezione del plasema (§ 7.2). Conduttività e correnti nella ionosfera polare (§ 7.3). Aurore polari: dissipazione dell'energia delle particelle aurorali, origine delle particelle aurorali, aurora diffusa e discreta(§ 7. 4). Solar Wind Dynamo (§ 7.6.1), magnetosfera aperta(§ 7.6.2), convezione del plasma nella magnetosfera aperta (§ 7.6.3), magnetosfera aperta con coda (§ 7.6.4), cenno alla riconnessione (parte del § 7.6.5), correnti di Birkeland nelle regioni 1 e 2 (§ 7.6.6).
7. Tempeste geosferiche
Tempeste magnetiche: variazione regolari, elettrogetto equatoriale, attività magnetica alle basse, alte e medie latitudini, indici geomagnetici (§ 8.1). Sottotempeste magnetiche: fase di crescita e espansione, onde di Alvfèn e loro ruolo (§ 8.3). Tempeste ionosferiche: tempeste negative e positive (§ 8.5).
2) Appunti di lezione.
Programma
Università degli Studi Roma Tre - A.A. 2019-2020Programma del Corso di fisica della ionosfera e della magnetosfera
Docente: Carlo Scotto
La maggior parte degli argomenti è trattato sul libro di G.W. Prölss ("Physics of the Earth's Space Environment", ed. Springer).Viene fatto riferimento ai paragrafi di detto libro. I restanti argomenti sono riportati nelle note di lezione distribuite. In esse è riportata la relativa bibliografia dettagliata.
Introduzione: scopo del corso e presentazione degli argomenti trattati
1. Nozioni di fisica del plasma magneto-ionosferico
Frequenza di plasma, distanza di Debye e potenziale di Debye-Hückel, condizioni di plasma, libero cammino medio, indice di rifrazione di fase per le onde radio in un plasma senza collisioni e in assenza di campo magnetico, plasma non caldo (Note di lezione). (pag. 232, § 7.3.1, § 7.3.2, § 7.3.3) . Energia del campo elettromagnetico (Note di lezione ). Moto delle cariche elettriche in un campo magnetico: moto di girazione, il momento magnetico come invariante adiabatico, moto ove grad(B) è parallelo a B, bounce motion (§ 5.3.1, § 5.3.2, pp. 220-228), gradient drift motion (§ 5.3.2, pp. 228-229), neutral shift drift, drift E x B e conduttività del plasma in assenza di collisioni, drift sotto l'azione di forze esterne (§ 5.3.1, § 5.3.2, § 5.3.3 pp. 219-233).
2. Il mezzo interplanetario.
La corona solare e il vento solare (§ 6.1 e 6.1.1, pp. 278-282, compresi tutti i richiami). Struttura del vento solare a grande scala e sul piano dell'eclittica (§ 6.1.6). Il campo magnetico interplanetario: osservazioni e caratteristiche fisiche (§ 6.2.1, pp. 300-304). Il current sheet eliosferico (§ 6.2.4). Struttura a settori della componente polare di B (§ 6.2.5). Teorema di Alfvén (Appendice A.14, pp.484-487).
3. Magnetosfera
Il campo geomagnetico in prossimità della Terra (§ 5.2). Drift di curvatura (p. 233). Drift totale (p. 234-235). Moto composto dei portatori di cariche (§ 5.3.4). Popolazioni di particelle nella magnetosfera interna: fasce di radiazione, ring current, plasmasfera (§ 5.4).
Il campo geomagnetico distante: configurazione e classificazione, correnti sul lato diurno della magnetopausa, riflessione delle particelle e formazione della corrente, sistema di correnti nella coda geomagnetica (§ 5.5). Popolazione di particelle nella magnetosfera esterna: magnetotail plasma sheet, magnetotail lobe plasma, magnetospheric boundary layer (§ 5.6). Formazione del bow shock e cenno al magnetosheat (§ 6.4 introduzione e § 6.4.1, pp. 325-328).
4. Ionosfera
Processi di assorbimento, attenuazione della radiazione nei gas, deposizione di energia nell'alta atmosfera: funzione di Chapman. Ionosfera terrestre: cenni storici, profilo verticale di densità elettronica, temperatura ionosferica, produzione e scomparsa di ionizzazione, regioni ionosferiche, equilibrio elettronico, profilo verticale di densità elettronica nella regione E e nella regione F2. (§ 3.2; introduzione del cap 4, § 4.1, § 4.2, § 4.3). Morfologia della ionosfera: le cuspidi sulla traccia degli ionogrammi e le regioni ionosferiche (Note di lezione). Variazioni regolari della ionosfera: strati E ed F1(Note di lezione). Variazioni irregolari della ionosfera: strato F2 (Note di lezione ). Strato E sporadico (Note di lezione ). Modello fotochimico semplificato per le regioni E ed F: strato F1 (Note di lezione). Modello fotochimico semplificato per la regione D (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio con collisioni ed in assenza di campo magnetico; interpretazione della parte immaginaria dell'indice di rifrazione: l'assorbimento (Note di lezione). Solar flares e short waves fadeout (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato F1 (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato E (Note di lezione).
5. Teoria Magnetoionica
Introduzione. Equazioni costitutive per un plasma freddo con collisioni ed in presenza di un campo magnetico (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, trascurando le collisioni e considerando il campo magnetico terrestre: equazione di Appleton-Hartree (Note di lezione). Continuità di nf in X=1. Gli zeri dell'equazione di Appleton-Hartree senza collisioni: caso di propagazione longitudinale, trasversale e generale (Note di lezione). Polarizzazione: continuità in X=1 nel caso generale e nel caso di propagazione longitudinale. Polarizzazione in propagazione longitudinale: dipendenza dal segno di YL. Polarizzazione in condizioni generali, per X=1 (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, considerando le collisioni e il campo magnetico terrestre. Cenno alla polarizzazione nel caso collisionale. Curve di (X) con collisioni: importanza della regola di Booker (Note di lezione). Condizioni di riflessione e ionogrammi, traccia ordinaria, straordinaria. Raggio Z (Note di lezione). Esempi di ionogrammi (Note di lezione)
Così come indicato nelle note di lezione, il materiale di questa unità didattica si trova su: Ratcliffe, J. A. (1959), The magneto-Ionic Theory and its Applications to the Ionosphere, Cambridge University Press.
6. Assorbimento e dissipazione dell'energia del vento solare
Topologia dell'alta atmosfera polare (§ 7.1). Campi elettrici, e convezione del plasema (§ 7.2). Conduttività e correnti nella ionosfera polare (§ 7.3). Aurore polari: dissipazione dell'energia delle particelle aurorali, origine delle particelle aurorali, aurora diffusa e discreta(§ 7. 4). Solar Wind Dynamo (§ 7.6.1), magnetosfera aperta(§ 7.6.2), convezione del plasma nella magnetosfera aperta (§ 7.6.3), magnetosfera aperta con coda (§ 7.6.4), cenno alla riconnessione (parte del § 7.6.5), correnti di Birkeland nelle regioni 1 e 2 (§ 7.6.6).
7. Tempeste geosferiche
Tempeste magnetiche: variazione regolari, elettrogetto equatoriale, attività magnetica alle basse, alte e medie latitudini, indici geomagnetici (§ 8.1). Sottotempeste magnetiche: fase di crescita e espansione, onde di Alvfèn e loro ruolo (§ 8.3). Tempeste ionosferiche: tempeste negative e positive (§ 8.5).
Testi Adottati
1) G.W. Prölss "Physics of the Earth's Space Environment"2) Appunti di lezione.
Bibliografia Di Riferimento
La bibliografia è da intendersi utile come possibile approfondimento delle note di lezione. Le notedi lezione sono schematiche. Per ogni singolo argomento riportato nelle note di lezione è indicata la bibliografia di riferimento. Questo ha lo scopo principale di consentire, specialmente allo studente che non abbia seguito il corso di prepararsi a sostenere l'esame. 1) J. A. Ratcliffe "The magneto-ionic theory & its applications to the ionosphere" 2) M. Kelley, "The Earth's Ionosphere" 3) J. K. Hargreaves "The solar terrestrial environment" 4) Leo F. McNamara, "The ionosphere, Communications, Surveillance and Direction Finding", Krieger Publishing CompanyModalità Erogazione
La materia trattata nel corso di "Fisica della ionosfera e della magnetosfera", richiede l'illustrazione di figure e schemi complessi. Essi non possono essere riprodotti, in tutti i casi, manualmente sulla lavagna in modo efficacieper cui si deve ricorrere alla proiezione di diapositive (slides). Le diapositive hanno anche un' altra funzione: con esse si mostrano spesso degli schemi logici, attraverso i quali si cerca di focalizzare l'attenzione dello studente sui punti salienti delle trattazioni, sulle ipotesi dei ragionamenti, sui i dati sperimentali che vengono assunti e su quanto, di volta in volta, si intende dimostrare. Una volta che la diapositiva di riferimento è stata proiettata, la trattazione prosegue in modo tradizionale alla lavagna, anche con lo svoglimento dei necessari passaggi matematici. Alcuni argomenti che sul testo di riferimento sono presentati in forma teorica, vengono invece proposti in forma di esercizio o di problema. Si crea così l'occasione per valutare se i risultati ottenuti siano plausibili e per focalizzare sull'ordine di grandezza dei diversi parametri fisici coinvolti. Una uscita di istruzione viene poi solitamente effettuata alla fine del corso, per visitare i laboratori dell' Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). Vengono presentati agli studenti, in modo diretto, i sistemi di acquisizione ed elaborazione di dati magnetici ed ionosferici, nonché i servizi in ambito Space Weather dell' INGV. Con l'occasione si mostrano attraverso l'internet anche i servizi di altre istituzioni nazionali ed internazionali. Si intende così richiamare l'attenzione degli studenti sul valore applicativo delle nozioni apprese durante il corso, sull' interesse verso lo Space Weather, sui notevoli investimenti che esso richiama e sul fatto che molteplici collaborazioni internazionali sono attive in detto settore.Modalità Frequenza
La frequenza del corso non è obbligatoria, anche se consigliata. Il programma è svolto facendo riferimento in massima parte al libro ti testo "Physics of The Earth's Space Environment" di Gerd. W. Prölss. Gli argomenti trattati nel corso, non compresi in questo libro di testo, sono riassunti nelle note di lezione distribuite. In queste note viene riportata precisa bibliografia. Lo studio del libro di testo e delle note di lezione, eventualmente approfondito con lo studio della bibliografia, consente anche allo studente che non abbia seguito il corso di sostenere l'esame. Non è stato possibile fare esperienza con studenti che non abbiano seguito il corso: fino ad oggi tutti gli studenti che hanno sostenuto l'esame avevano seguito le lezioni.Modalità Valutazione
L'esame viene svolto in forma orale tradizionale. Vengono solitamente rivolte allo studente tre domande su argomenti piuttosto ampi, trattati a lezione, ed esplicitamente indicati nel programma. Le domande sono poste in maniera tale da consentire una risposta con diversi gradi di approfondimento, permettendo allo studente di mostrare il livello di competenza raggiunta sull'argomento richiesto. Per ciascuna domanda principale, possono essere poste domande successive per richiedere precisazioni. Le domande successive, sono utili soprattutto per capire se una possibile esposizione troppo superficiale, è da porsi in relazione all'acquisizione approssimativa delle competenze oppure ad un eccessivo desiderio di sintesi. Allo studente non viene richiesto di svolgere esercizi o problemi durante l'esame orale, oltre a quelli discussi a lezione con, al più, qualche minima variante. scheda docente materiale didattico
Programma del Corso di fisica della ionosfera e della magnetosfera
Docente: Carlo Scotto
La maggior parte degli argomenti è trattato sul libro di G.W. Prölss ("Physics of the Earth's Space Environment", ed. Springer).Viene fatto riferimento ai paragrafi di detto libro. I restanti argomenti sono riportati nelle note di lezione distribuite. In esse è riportata la relativa bibliografia dettagliata.
Introduzione: scopo del corso e presentazione degli argomenti trattati
1. Nozioni di fisica del plasma magneto-ionosferico
Frequenza di plasma, distanza di Debye e potenziale di Debye-Hückel, condizioni di plasma, libero cammino medio, indice di rifrazione di fase per le onde radio in un plasma senza collisioni e in assenza di campo magnetico, plasma non caldo (Note di lezione). (pag. 232, § 7.3.1, § 7.3.2, § 7.3.3) . Energia del campo elettromagnetico (Note di lezione ). Moto delle cariche elettriche in un campo magnetico: moto di girazione, il momento magnetico come invariante adiabatico, moto ove grad(B) è parallelo a B, bounce motion (§ 5.3.1, § 5.3.2, pp. 220-228), gradient drift motion (§ 5.3.2, pp. 228-229), neutral shift drift, drift E x B e conduttività del plasma in assenza di collisioni, drift sotto l'azione di forze esterne (§ 5.3.1, § 5.3.2, § 5.3.3 pp. 219-233).
2. Il mezzo interplanetario.
La corona solare e il vento solare (§ 6.1 e 6.1.1, pp. 278-282, compresi tutti i richiami). Struttura del vento solare a grande scala e sul piano dell'eclittica (§ 6.1.6). Il campo magnetico interplanetario: osservazioni e caratteristiche fisiche (§ 6.2.1, pp. 300-304). Il current sheet eliosferico (§ 6.2.4). Struttura a settori della componente polare di B (§ 6.2.5). Teorema di Alfvén (Appendice A.14, pp.484-487).
3. Magnetosfera
Il campo geomagnetico in prossimità della Terra (§ 5.2). Drift di curvatura (p. 233). Drift totale (p. 234-235). Moto composto dei portatori di cariche (§ 5.3.4). Popolazioni di particelle nella magnetosfera interna: fasce di radiazione, ring current, plasmasfera (§ 5.4).
Il campo geomagnetico distante: configurazione e classificazione, correnti sul lato diurno della magnetopausa, riflessione delle particelle e formazione della corrente, sistema di correnti nella coda geomagnetica (§ 5.5). Popolazione di particelle nella magnetosfera esterna: magnetotail plasma sheet, magnetotail lobe plasma, magnetospheric boundary layer (§ 5.6). Formazione del bow shock e cenno al magnetosheat (§ 6.4 introduzione e § 6.4.1, pp. 325-328).
4. Ionosfera
Processi di assorbimento, attenuazione della radiazione nei gas, deposizione di energia nell'alta atmosfera: funzione di Chapman. Ionosfera terrestre: cenni storici, profilo verticale di densità elettronica, temperatura ionosferica, produzione e scomparsa di ionizzazione, regioni ionosferiche, equilibrio elettronico, profilo verticale di densità elettronica nella regione E e nella regione F2. (§ 3.2; introduzione del cap 4, § 4.1, § 4.2, § 4.3). Morfologia della ionosfera: le cuspidi sulla traccia degli ionogrammi e le regioni ionosferiche (Note di lezione). Variazioni regolari della ionosfera: strati E ed F1(Note di lezione). Variazioni irregolari della ionosfera: strato F2 (Note di lezione ). Strato E sporadico (Note di lezione ). Modello fotochimico semplificato per le regioni E ed F: strato F1 (Note di lezione). Modello fotochimico semplificato per la regione D (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio con collisioni ed in assenza di campo magnetico; interpretazione della parte immaginaria dell'indice di rifrazione: l'assorbimento (Note di lezione). Solar flares e short waves fadeout (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato F1 (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato E (Note di lezione).
5. Teoria Magnetoionica
Introduzione. Equazioni costitutive per un plasma freddo con collisioni ed in presenza di un campo magnetico (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, trascurando le collisioni e considerando il campo magnetico terrestre: equazione di Appleton-Hartree (Note di lezione). Continuità di nf in X=1. Gli zeri dell'equazione di Appleton-Hartree senza collisioni: caso di propagazione longitudinale, trasversale e generale (Note di lezione). Polarizzazione: continuità in X=1 nel caso generale e nel caso di propagazione longitudinale. Polarizzazione in propagazione longitudinale: dipendenza dal segno di YL. Polarizzazione in condizioni generali, per X=1 (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, considerando le collisioni e il campo magnetico terrestre. Cenno alla polarizzazione nel caso collisionale. Curve di (X) con collisioni: importanza della regola di Booker (Note di lezione). Condizioni di riflessione e ionogrammi, traccia ordinaria, straordinaria. Raggio Z (Note di lezione). Esempi di ionogrammi (Note di lezione)
Così come indicato nelle note di lezione, il materiale di questa unità didattica si trova su: Ratcliffe, J. A. (1959), The magneto-Ionic Theory and its Applications to the Ionosphere, Cambridge University Press.
6. Assorbimento e dissipazione dell'energia del vento solare
Topologia dell'alta atmosfera polare (§ 7.1). Campi elettrici, e convezione del plasema (§ 7.2). Conduttività e correnti nella ionosfera polare (§ 7.3). Aurore polari: dissipazione dell'energia delle particelle aurorali, origine delle particelle aurorali, aurora diffusa e discreta(§ 7. 4). Solar Wind Dynamo (§ 7.6.1), magnetosfera aperta(§ 7.6.2), convezione del plasma nella magnetosfera aperta (§ 7.6.3), magnetosfera aperta con coda (§ 7.6.4), cenno alla riconnessione (parte del § 7.6.5), correnti di Birkeland nelle regioni 1 e 2 (§ 7.6.6).
7. Tempeste geosferiche
Tempeste magnetiche: variazione regolari, elettrogetto equatoriale, attività magnetica alle basse, alte e medie latitudini, indici geomagnetici (§ 8.1). Sottotempeste magnetiche: fase di crescita e espansione, onde di Alvfèn e loro ruolo (§ 8.3). Tempeste ionosferiche: tempeste negative e positive (§ 8.5).
2) Appunti di lezione.
Programma
Università degli Studi Roma Tre - A.A. 2019-2020Programma del Corso di fisica della ionosfera e della magnetosfera
Docente: Carlo Scotto
La maggior parte degli argomenti è trattato sul libro di G.W. Prölss ("Physics of the Earth's Space Environment", ed. Springer).Viene fatto riferimento ai paragrafi di detto libro. I restanti argomenti sono riportati nelle note di lezione distribuite. In esse è riportata la relativa bibliografia dettagliata.
Introduzione: scopo del corso e presentazione degli argomenti trattati
1. Nozioni di fisica del plasma magneto-ionosferico
Frequenza di plasma, distanza di Debye e potenziale di Debye-Hückel, condizioni di plasma, libero cammino medio, indice di rifrazione di fase per le onde radio in un plasma senza collisioni e in assenza di campo magnetico, plasma non caldo (Note di lezione). (pag. 232, § 7.3.1, § 7.3.2, § 7.3.3) . Energia del campo elettromagnetico (Note di lezione ). Moto delle cariche elettriche in un campo magnetico: moto di girazione, il momento magnetico come invariante adiabatico, moto ove grad(B) è parallelo a B, bounce motion (§ 5.3.1, § 5.3.2, pp. 220-228), gradient drift motion (§ 5.3.2, pp. 228-229), neutral shift drift, drift E x B e conduttività del plasma in assenza di collisioni, drift sotto l'azione di forze esterne (§ 5.3.1, § 5.3.2, § 5.3.3 pp. 219-233).
2. Il mezzo interplanetario.
La corona solare e il vento solare (§ 6.1 e 6.1.1, pp. 278-282, compresi tutti i richiami). Struttura del vento solare a grande scala e sul piano dell'eclittica (§ 6.1.6). Il campo magnetico interplanetario: osservazioni e caratteristiche fisiche (§ 6.2.1, pp. 300-304). Il current sheet eliosferico (§ 6.2.4). Struttura a settori della componente polare di B (§ 6.2.5). Teorema di Alfvén (Appendice A.14, pp.484-487).
3. Magnetosfera
Il campo geomagnetico in prossimità della Terra (§ 5.2). Drift di curvatura (p. 233). Drift totale (p. 234-235). Moto composto dei portatori di cariche (§ 5.3.4). Popolazioni di particelle nella magnetosfera interna: fasce di radiazione, ring current, plasmasfera (§ 5.4).
Il campo geomagnetico distante: configurazione e classificazione, correnti sul lato diurno della magnetopausa, riflessione delle particelle e formazione della corrente, sistema di correnti nella coda geomagnetica (§ 5.5). Popolazione di particelle nella magnetosfera esterna: magnetotail plasma sheet, magnetotail lobe plasma, magnetospheric boundary layer (§ 5.6). Formazione del bow shock e cenno al magnetosheat (§ 6.4 introduzione e § 6.4.1, pp. 325-328).
4. Ionosfera
Processi di assorbimento, attenuazione della radiazione nei gas, deposizione di energia nell'alta atmosfera: funzione di Chapman. Ionosfera terrestre: cenni storici, profilo verticale di densità elettronica, temperatura ionosferica, produzione e scomparsa di ionizzazione, regioni ionosferiche, equilibrio elettronico, profilo verticale di densità elettronica nella regione E e nella regione F2. (§ 3.2; introduzione del cap 4, § 4.1, § 4.2, § 4.3). Morfologia della ionosfera: le cuspidi sulla traccia degli ionogrammi e le regioni ionosferiche (Note di lezione). Variazioni regolari della ionosfera: strati E ed F1(Note di lezione). Variazioni irregolari della ionosfera: strato F2 (Note di lezione ). Strato E sporadico (Note di lezione ). Modello fotochimico semplificato per le regioni E ed F: strato F1 (Note di lezione). Modello fotochimico semplificato per la regione D (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio con collisioni ed in assenza di campo magnetico; interpretazione della parte immaginaria dell'indice di rifrazione: l'assorbimento (Note di lezione). Solar flares e short waves fadeout (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato F1 (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato E (Note di lezione).
5. Teoria Magnetoionica
Introduzione. Equazioni costitutive per un plasma freddo con collisioni ed in presenza di un campo magnetico (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, trascurando le collisioni e considerando il campo magnetico terrestre: equazione di Appleton-Hartree (Note di lezione). Continuità di nf in X=1. Gli zeri dell'equazione di Appleton-Hartree senza collisioni: caso di propagazione longitudinale, trasversale e generale (Note di lezione). Polarizzazione: continuità in X=1 nel caso generale e nel caso di propagazione longitudinale. Polarizzazione in propagazione longitudinale: dipendenza dal segno di YL. Polarizzazione in condizioni generali, per X=1 (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, considerando le collisioni e il campo magnetico terrestre. Cenno alla polarizzazione nel caso collisionale. Curve di (X) con collisioni: importanza della regola di Booker (Note di lezione). Condizioni di riflessione e ionogrammi, traccia ordinaria, straordinaria. Raggio Z (Note di lezione). Esempi di ionogrammi (Note di lezione)
Così come indicato nelle note di lezione, il materiale di questa unità didattica si trova su: Ratcliffe, J. A. (1959), The magneto-Ionic Theory and its Applications to the Ionosphere, Cambridge University Press.
6. Assorbimento e dissipazione dell'energia del vento solare
Topologia dell'alta atmosfera polare (§ 7.1). Campi elettrici, e convezione del plasema (§ 7.2). Conduttività e correnti nella ionosfera polare (§ 7.3). Aurore polari: dissipazione dell'energia delle particelle aurorali, origine delle particelle aurorali, aurora diffusa e discreta(§ 7. 4). Solar Wind Dynamo (§ 7.6.1), magnetosfera aperta(§ 7.6.2), convezione del plasma nella magnetosfera aperta (§ 7.6.3), magnetosfera aperta con coda (§ 7.6.4), cenno alla riconnessione (parte del § 7.6.5), correnti di Birkeland nelle regioni 1 e 2 (§ 7.6.6).
7. Tempeste geosferiche
Tempeste magnetiche: variazione regolari, elettrogetto equatoriale, attività magnetica alle basse, alte e medie latitudini, indici geomagnetici (§ 8.1). Sottotempeste magnetiche: fase di crescita e espansione, onde di Alvfèn e loro ruolo (§ 8.3). Tempeste ionosferiche: tempeste negative e positive (§ 8.5).
Testi Adottati
1) G.W. Prölss "Physics of the Earth's Space Environment"2) Appunti di lezione.
Bibliografia Di Riferimento
La bibliografia è da intendersi utile come possibile approfondimento delle note di lezione. Le notedi lezione sono schematiche. Per ogni singolo argomento riportato nelle note di lezione è indicata la bibliografia di riferimento. Questo ha lo scopo principale di consentire, specialmente allo studente che non abbia seguito il corso di prepararsi a sostenere l'esame. 1) J. A. Ratcliffe "The magneto-ionic theory & its applications to the ionosphere" 2) M. Kelley, "The Earth's Ionosphere" 3) J. K. Hargreaves "The solar terrestrial environment" 4) Leo F. McNamara, "The ionosphere, Communications, Surveillance and Direction Finding", Krieger Publishing CompanyModalità Erogazione
La materia trattata nel corso di "Fisica della ionosfera e della magnetosfera", richiede l'illustrazione di figure e schemi complessi. Essi non possono essere riprodotti, in tutti i casi, manualmente sulla lavagna in modo efficacieper cui si deve ricorrere alla proiezione di diapositive (slides). Le diapositive hanno anche un' altra funzione: con esse si mostrano spesso degli schemi logici, attraverso i quali si cerca di focalizzare l'attenzione dello studente sui punti salienti delle trattazioni, sulle ipotesi dei ragionamenti, sui i dati sperimentali che vengono assunti e su quanto, di volta in volta, si intende dimostrare. Una volta che la diapositiva di riferimento è stata proiettata, la trattazione prosegue in modo tradizionale alla lavagna, anche con lo svoglimento dei necessari passaggi matematici. Alcuni argomenti che sul testo di riferimento sono presentati in forma teorica, vengono invece proposti in forma di esercizio o di problema. Si crea così l'occasione per valutare se i risultati ottenuti siano plausibili e per focalizzare sull'ordine di grandezza dei diversi parametri fisici coinvolti. Una uscita di istruzione viene poi solitamente effettuata alla fine del corso, per visitare i laboratori dell' Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). Vengono presentati agli studenti, in modo diretto, i sistemi di acquisizione ed elaborazione di dati magnetici ed ionosferici, nonché i servizi in ambito Space Weather dell' INGV. Con l'occasione si mostrano attraverso l'internet anche i servizi di altre istituzioni nazionali ed internazionali. Si intende così richiamare l'attenzione degli studenti sul valore applicativo delle nozioni apprese durante il corso, sull' interesse verso lo Space Weather, sui notevoli investimenti che esso richiama e sul fatto che molteplici collaborazioni internazionali sono attive in detto settore.Modalità Frequenza
La frequenza del corso non è obbligatoria, anche se consigliata. Il programma è svolto facendo riferimento in massima parte al libro ti testo "Physics of The Earth's Space Environment" di Gerd. W. Prölss. Gli argomenti trattati nel corso, non compresi in questo libro di testo, sono riassunti nelle note di lezione distribuite. In queste note viene riportata precisa bibliografia. Lo studio del libro di testo e delle note di lezione, eventualmente approfondito con lo studio della bibliografia, consente anche allo studente che non abbia seguito il corso di sostenere l'esame. Non è stato possibile fare esperienza con studenti che non abbiano seguito il corso: fino ad oggi tutti gli studenti che hanno sostenuto l'esame avevano seguito le lezioni.Modalità Valutazione
L'esame viene svolto in forma orale tradizionale. Vengono solitamente rivolte allo studente tre domande su argomenti piuttosto ampi, trattati a lezione, ed esplicitamente indicati nel programma. Le domande sono poste in maniera tale da consentire una risposta con diversi gradi di approfondimento, permettendo allo studente di mostrare il livello di competenza raggiunta sull'argomento richiesto. Per ciascuna domanda principale, possono essere poste domande successive per richiedere precisazioni. Le domande successive, sono utili soprattutto per capire se una possibile esposizione troppo superficiale, è da porsi in relazione all'acquisizione approssimativa delle competenze oppure ad un eccessivo desiderio di sintesi. Allo studente non viene richiesto di svolgere esercizi o problemi durante l'esame orale, oltre a quelli discussi a lezione con, al più, qualche minima variante. scheda docente materiale didattico
Programma del Corso di fisica della ionosfera e della magnetosfera
Docente: Carlo Scotto
La maggior parte degli argomenti è trattato sul libro di G.W. Prölss ("Physics of the Earth's Space Environment", ed. Springer).Viene fatto riferimento ai paragrafi di detto libro. I restanti argomenti sono riportati nelle note di lezione distribuite. In esse è riportata la relativa bibliografia dettagliata.
Introduzione: scopo del corso e presentazione degli argomenti trattati
1. Nozioni di fisica del plasma magneto-ionosferico
Frequenza di plasma, distanza di Debye e potenziale di Debye-Hückel, condizioni di plasma, libero cammino medio, indice di rifrazione di fase per le onde radio in un plasma senza collisioni e in assenza di campo magnetico, plasma non caldo (Note di lezione). (pag. 232, § 7.3.1, § 7.3.2, § 7.3.3) . Energia del campo elettromagnetico (Note di lezione ). Moto delle cariche elettriche in un campo magnetico: moto di girazione, il momento magnetico come invariante adiabatico, moto ove grad(B) è parallelo a B, bounce motion (§ 5.3.1, § 5.3.2, pp. 220-228), gradient drift motion (§ 5.3.2, pp. 228-229), neutral shift drift, drift E x B e conduttività del plasma in assenza di collisioni, drift sotto l'azione di forze esterne (§ 5.3.1, § 5.3.2, § 5.3.3 pp. 219-233).
2. Il mezzo interplanetario.
La corona solare e il vento solare (§ 6.1 e 6.1.1, pp. 278-282, compresi tutti i richiami). Struttura del vento solare a grande scala e sul piano dell'eclittica (§ 6.1.6). Il campo magnetico interplanetario: osservazioni e caratteristiche fisiche (§ 6.2.1, pp. 300-304). Il current sheet eliosferico (§ 6.2.4). Struttura a settori della componente polare di B (§ 6.2.5). Teorema di Alfvén (Appendice A.14, pp.484-487).
3. Magnetosfera
Il campo geomagnetico in prossimità della Terra (§ 5.2). Drift di curvatura (p. 233). Drift totale (p. 234-235). Moto composto dei portatori di cariche (§ 5.3.4). Popolazioni di particelle nella magnetosfera interna: fasce di radiazione, ring current, plasmasfera (§ 5.4).
Il campo geomagnetico distante: configurazione e classificazione, correnti sul lato diurno della magnetopausa, riflessione delle particelle e formazione della corrente, sistema di correnti nella coda geomagnetica (§ 5.5). Popolazione di particelle nella magnetosfera esterna: magnetotail plasma sheet, magnetotail lobe plasma, magnetospheric boundary layer (§ 5.6). Formazione del bow shock e cenno al magnetosheat (§ 6.4 introduzione e § 6.4.1, pp. 325-328).
4. Ionosfera
Processi di assorbimento, attenuazione della radiazione nei gas, deposizione di energia nell'alta atmosfera: funzione di Chapman. Ionosfera terrestre: cenni storici, profilo verticale di densità elettronica, temperatura ionosferica, produzione e scomparsa di ionizzazione, regioni ionosferiche, equilibrio elettronico, profilo verticale di densità elettronica nella regione E e nella regione F2. (§ 3.2; introduzione del cap 4, § 4.1, § 4.2, § 4.3). Morfologia della ionosfera: le cuspidi sulla traccia degli ionogrammi e le regioni ionosferiche (Note di lezione). Variazioni regolari della ionosfera: strati E ed F1(Note di lezione). Variazioni irregolari della ionosfera: strato F2 (Note di lezione ). Strato E sporadico (Note di lezione ). Modello fotochimico semplificato per le regioni E ed F: strato F1 (Note di lezione). Modello fotochimico semplificato per la regione D (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio con collisioni ed in assenza di campo magnetico; interpretazione della parte immaginaria dell'indice di rifrazione: l'assorbimento (Note di lezione). Solar flares e short waves fadeout (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato F1 (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato E (Note di lezione).
5. Teoria Magnetoionica
Introduzione. Equazioni costitutive per un plasma freddo con collisioni ed in presenza di un campo magnetico (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, trascurando le collisioni e considerando il campo magnetico terrestre: equazione di Appleton-Hartree (Note di lezione). Continuità di nf in X=1. Gli zeri dell'equazione di Appleton-Hartree senza collisioni: caso di propagazione longitudinale, trasversale e generale (Note di lezione). Polarizzazione: continuità in X=1 nel caso generale e nel caso di propagazione longitudinale. Polarizzazione in propagazione longitudinale: dipendenza dal segno di YL. Polarizzazione in condizioni generali, per X=1 (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, considerando le collisioni e il campo magnetico terrestre. Cenno alla polarizzazione nel caso collisionale. Curve di (X) con collisioni: importanza della regola di Booker (Note di lezione). Condizioni di riflessione e ionogrammi, traccia ordinaria, straordinaria. Raggio Z (Note di lezione). Esempi di ionogrammi (Note di lezione)
Così come indicato nelle note di lezione, il materiale di questa unità didattica si trova su: Ratcliffe, J. A. (1959), The magneto-Ionic Theory and its Applications to the Ionosphere, Cambridge University Press.
6. Assorbimento e dissipazione dell'energia del vento solare
Topologia dell'alta atmosfera polare (§ 7.1). Campi elettrici, e convezione del plasema (§ 7.2). Conduttività e correnti nella ionosfera polare (§ 7.3). Aurore polari: dissipazione dell'energia delle particelle aurorali, origine delle particelle aurorali, aurora diffusa e discreta(§ 7. 4). Solar Wind Dynamo (§ 7.6.1), magnetosfera aperta(§ 7.6.2), convezione del plasma nella magnetosfera aperta (§ 7.6.3), magnetosfera aperta con coda (§ 7.6.4), cenno alla riconnessione (parte del § 7.6.5), correnti di Birkeland nelle regioni 1 e 2 (§ 7.6.6).
7. Tempeste geosferiche
Tempeste magnetiche: variazione regolari, elettrogetto equatoriale, attività magnetica alle basse, alte e medie latitudini, indici geomagnetici (§ 8.1). Sottotempeste magnetiche: fase di crescita e espansione, onde di Alvfèn e loro ruolo (§ 8.3). Tempeste ionosferiche: tempeste negative e positive (§ 8.5).
2) Appunti di lezione.
Programma
Università degli Studi Roma Tre - A.A. 2019-2020Programma del Corso di fisica della ionosfera e della magnetosfera
Docente: Carlo Scotto
La maggior parte degli argomenti è trattato sul libro di G.W. Prölss ("Physics of the Earth's Space Environment", ed. Springer).Viene fatto riferimento ai paragrafi di detto libro. I restanti argomenti sono riportati nelle note di lezione distribuite. In esse è riportata la relativa bibliografia dettagliata.
Introduzione: scopo del corso e presentazione degli argomenti trattati
1. Nozioni di fisica del plasma magneto-ionosferico
Frequenza di plasma, distanza di Debye e potenziale di Debye-Hückel, condizioni di plasma, libero cammino medio, indice di rifrazione di fase per le onde radio in un plasma senza collisioni e in assenza di campo magnetico, plasma non caldo (Note di lezione). (pag. 232, § 7.3.1, § 7.3.2, § 7.3.3) . Energia del campo elettromagnetico (Note di lezione ). Moto delle cariche elettriche in un campo magnetico: moto di girazione, il momento magnetico come invariante adiabatico, moto ove grad(B) è parallelo a B, bounce motion (§ 5.3.1, § 5.3.2, pp. 220-228), gradient drift motion (§ 5.3.2, pp. 228-229), neutral shift drift, drift E x B e conduttività del plasma in assenza di collisioni, drift sotto l'azione di forze esterne (§ 5.3.1, § 5.3.2, § 5.3.3 pp. 219-233).
2. Il mezzo interplanetario.
La corona solare e il vento solare (§ 6.1 e 6.1.1, pp. 278-282, compresi tutti i richiami). Struttura del vento solare a grande scala e sul piano dell'eclittica (§ 6.1.6). Il campo magnetico interplanetario: osservazioni e caratteristiche fisiche (§ 6.2.1, pp. 300-304). Il current sheet eliosferico (§ 6.2.4). Struttura a settori della componente polare di B (§ 6.2.5). Teorema di Alfvén (Appendice A.14, pp.484-487).
3. Magnetosfera
Il campo geomagnetico in prossimità della Terra (§ 5.2). Drift di curvatura (p. 233). Drift totale (p. 234-235). Moto composto dei portatori di cariche (§ 5.3.4). Popolazioni di particelle nella magnetosfera interna: fasce di radiazione, ring current, plasmasfera (§ 5.4).
Il campo geomagnetico distante: configurazione e classificazione, correnti sul lato diurno della magnetopausa, riflessione delle particelle e formazione della corrente, sistema di correnti nella coda geomagnetica (§ 5.5). Popolazione di particelle nella magnetosfera esterna: magnetotail plasma sheet, magnetotail lobe plasma, magnetospheric boundary layer (§ 5.6). Formazione del bow shock e cenno al magnetosheat (§ 6.4 introduzione e § 6.4.1, pp. 325-328).
4. Ionosfera
Processi di assorbimento, attenuazione della radiazione nei gas, deposizione di energia nell'alta atmosfera: funzione di Chapman. Ionosfera terrestre: cenni storici, profilo verticale di densità elettronica, temperatura ionosferica, produzione e scomparsa di ionizzazione, regioni ionosferiche, equilibrio elettronico, profilo verticale di densità elettronica nella regione E e nella regione F2. (§ 3.2; introduzione del cap 4, § 4.1, § 4.2, § 4.3). Morfologia della ionosfera: le cuspidi sulla traccia degli ionogrammi e le regioni ionosferiche (Note di lezione). Variazioni regolari della ionosfera: strati E ed F1(Note di lezione). Variazioni irregolari della ionosfera: strato F2 (Note di lezione ). Strato E sporadico (Note di lezione ). Modello fotochimico semplificato per le regioni E ed F: strato F1 (Note di lezione). Modello fotochimico semplificato per la regione D (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio con collisioni ed in assenza di campo magnetico; interpretazione della parte immaginaria dell'indice di rifrazione: l'assorbimento (Note di lezione). Solar flares e short waves fadeout (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato F1 (Note di lezione). Ulteriori note sullo strato E (Note di lezione).
5. Teoria Magnetoionica
Introduzione. Equazioni costitutive per un plasma freddo con collisioni ed in presenza di un campo magnetico (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, trascurando le collisioni e considerando il campo magnetico terrestre: equazione di Appleton-Hartree (Note di lezione). Continuità di nf in X=1. Gli zeri dell'equazione di Appleton-Hartree senza collisioni: caso di propagazione longitudinale, trasversale e generale (Note di lezione). Polarizzazione: continuità in X=1 nel caso generale e nel caso di propagazione longitudinale. Polarizzazione in propagazione longitudinale: dipendenza dal segno di YL. Polarizzazione in condizioni generali, per X=1 (Note di lezione). Indice di rifrazione per le onde radio nella ionosfera, considerando le collisioni e il campo magnetico terrestre. Cenno alla polarizzazione nel caso collisionale. Curve di (X) con collisioni: importanza della regola di Booker (Note di lezione). Condizioni di riflessione e ionogrammi, traccia ordinaria, straordinaria. Raggio Z (Note di lezione). Esempi di ionogrammi (Note di lezione)
Così come indicato nelle note di lezione, il materiale di questa unità didattica si trova su: Ratcliffe, J. A. (1959), The magneto-Ionic Theory and its Applications to the Ionosphere, Cambridge University Press.
6. Assorbimento e dissipazione dell'energia del vento solare
Topologia dell'alta atmosfera polare (§ 7.1). Campi elettrici, e convezione del plasema (§ 7.2). Conduttività e correnti nella ionosfera polare (§ 7.3). Aurore polari: dissipazione dell'energia delle particelle aurorali, origine delle particelle aurorali, aurora diffusa e discreta(§ 7. 4). Solar Wind Dynamo (§ 7.6.1), magnetosfera aperta(§ 7.6.2), convezione del plasma nella magnetosfera aperta (§ 7.6.3), magnetosfera aperta con coda (§ 7.6.4), cenno alla riconnessione (parte del § 7.6.5), correnti di Birkeland nelle regioni 1 e 2 (§ 7.6.6).
7. Tempeste geosferiche
Tempeste magnetiche: variazione regolari, elettrogetto equatoriale, attività magnetica alle basse, alte e medie latitudini, indici geomagnetici (§ 8.1). Sottotempeste magnetiche: fase di crescita e espansione, onde di Alvfèn e loro ruolo (§ 8.3). Tempeste ionosferiche: tempeste negative e positive (§ 8.5).
Testi Adottati
1) G.W. Prölss "Physics of the Earth's Space Environment"2) Appunti di lezione.
Bibliografia Di Riferimento
La bibliografia è da intendersi utile come possibile approfondimento delle note di lezione. Le notedi lezione sono schematiche. Per ogni singolo argomento riportato nelle note di lezione è indicata la bibliografia di riferimento. Questo ha lo scopo principale di consentire, specialmente allo studente che non abbia seguito il corso di prepararsi a sostenere l'esame. 1) J. A. Ratcliffe "The magneto-ionic theory & its applications to the ionosphere" 2) M. Kelley, "The Earth's Ionosphere" 3) J. K. Hargreaves "The solar terrestrial environment" 4) Leo F. McNamara, "The ionosphere, Communications, Surveillance and Direction Finding", Krieger Publishing CompanyModalità Erogazione
La materia trattata nel corso di "Fisica della ionosfera e della magnetosfera", richiede l'illustrazione di figure e schemi complessi. Essi non possono essere riprodotti, in tutti i casi, manualmente sulla lavagna in modo efficacieper cui si deve ricorrere alla proiezione di diapositive (slides). Le diapositive hanno anche un' altra funzione: con esse si mostrano spesso degli schemi logici, attraverso i quali si cerca di focalizzare l'attenzione dello studente sui punti salienti delle trattazioni, sulle ipotesi dei ragionamenti, sui i dati sperimentali che vengono assunti e su quanto, di volta in volta, si intende dimostrare. Una volta che la diapositiva di riferimento è stata proiettata, la trattazione prosegue in modo tradizionale alla lavagna, anche con lo svoglimento dei necessari passaggi matematici. Alcuni argomenti che sul testo di riferimento sono presentati in forma teorica, vengono invece proposti in forma di esercizio o di problema. Si crea così l'occasione per valutare se i risultati ottenuti siano plausibili e per focalizzare sull'ordine di grandezza dei diversi parametri fisici coinvolti. Una uscita di istruzione viene poi solitamente effettuata alla fine del corso, per visitare i laboratori dell' Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV). Vengono presentati agli studenti, in modo diretto, i sistemi di acquisizione ed elaborazione di dati magnetici ed ionosferici, nonché i servizi in ambito Space Weather dell' INGV. Con l'occasione si mostrano attraverso l'internet anche i servizi di altre istituzioni nazionali ed internazionali. Si intende così richiamare l'attenzione degli studenti sul valore applicativo delle nozioni apprese durante il corso, sull' interesse verso lo Space Weather, sui notevoli investimenti che esso richiama e sul fatto che molteplici collaborazioni internazionali sono attive in detto settore.Modalità Frequenza
La frequenza del corso non è obbligatoria, anche se consigliata. Il programma è svolto facendo riferimento in massima parte al libro ti testo "Physics of The Earth's Space Environment" di Gerd. W. Prölss. Gli argomenti trattati nel corso, non compresi in questo libro di testo, sono riassunti nelle note di lezione distribuite. In queste note viene riportata precisa bibliografia. Lo studio del libro di testo e delle note di lezione, eventualmente approfondito con lo studio della bibliografia, consente anche allo studente che non abbia seguito il corso di sostenere l'esame. Non è stato possibile fare esperienza con studenti che non abbiano seguito il corso: fino ad oggi tutti gli studenti che hanno sostenuto l'esame avevano seguito le lezioni.Modalità Valutazione
L'esame viene svolto in forma orale tradizionale. Vengono solitamente rivolte allo studente tre domande su argomenti piuttosto ampi, trattati a lezione, ed esplicitamente indicati nel programma. Le domande sono poste in maniera tale da consentire una risposta con diversi gradi di approfondimento, permettendo allo studente di mostrare il livello di competenza raggiunta sull'argomento richiesto. Per ciascuna domanda principale, possono essere poste domande successive per richiedere precisazioni. Le domande successive, sono utili soprattutto per capire se una possibile esposizione troppo superficiale, è da porsi in relazione all'acquisizione approssimativa delle competenze oppure ad un eccessivo desiderio di sintesi. Allo studente non viene richiesto di svolgere esercizi o problemi durante l'esame orale, oltre a quelli discussi a lezione con, al più, qualche minima variante.