Come o perché le onde radio riflettono la ionosfera?

Quando l'onda elettromagnetica (o il segnale radio) si propaga nel plasma, gli elettroni liberi oscillano a seconda della frequenza dell'onda a causa del cambiamento del campo elettrico dell'onda. Quando gli elettroni oscillano, restituiscono parte dell'energia sotto forma di onda elettromagnetica con una frequenza di oscillazione e questo è il meccanismo della riflessione ionosferica di cui parli. Quindi la domanda "Come vengono riflesse le onde radio nella ionosfera?" è migliore della tua formulazione "Come fanno le onde radio a riflettere la ionosfera?" (anche se possiamo usare le onde per studiare la ionosfera quindi sei in qualche misura corretto).

Ora più in dettaglio. Puoi saltare i seguenti due paragrafi introduttivi ma penso che ti possano interessare comunque.

La ionosfera è solitamente definita come "la parte dell'atmosfera che influenza significativamente la propagazione delle onde elettromagnetiche (EM)". Questo significa cambiamento di percorso e velocità, riflessione o ritardo del segnale elettromagnetico. Perché succede? Prima un po' di background sulla ionosfera. La ionosfera è una miscela di particelle neutre (cioè molecole come O2, N2, NO e atomi come O, Ar, H), e particelle ionizzate, come ioni positivi O2+, N2+, N0+, e cariche negative - elettroni - derivanti dalla ionizzazione per mezzo di (soprattutto) EUV solare e raggi cosmici. Tale miscela di particelle neutre e particelle ionizzate è chiamata plasma. La quantità, o concentrazione, di particelle positive ionizzate e di elettroni negativi è in un volume sufficientemente grande all'incirca la stessa che noi chiamiamo quasineutralità (all'incirca elettricamente neutro in un grande volume) che è una delle condizioni per uno stato della materia che si vuole chiamare plasma.

Le particelle neutre non sono importanti per la nostra spiegazione né è necessario che siano presenti nel plasma per chiamarlo plasma (infatti, la maggior parte del plasma nell'universo consiste solo di ioni ed elettroni). In realtà, il rapporto tra particelle neutre e particelle ionizzate cambia rapidamente da qualcosa come 1000.000/1 o molto di più nella parte inferiore della ionosfera a circa 10.000 all'altezza del massimo della ionizzazione (di solito circa 250 - 300 km dal suolo) e se si va più in alto le particelle ionizzate diventano più abbondanti delle particelle neutre. La densità di elettroni diminuisce, però, se si va oltre i 250-300 km. Praticamente tutte le particelle sono ionizzate in una grande distanza dalla Terra. Grandi differenze in diverse altezze e lo chiamiamo ancora plasma. Tuttavia, le particelle neutre sono importanti per la dinamica ionosferica perché influenzano pesantemente il comportamento delle particelle ionizzate e degli elettroni per mezzo di collisioni e ciò significa che non possiamo trascurarle. Per esempio possono cambiare la concentrazione delle particelle ionizzate, che è un valore di importanza cruciale per la tua domanda, come mostrerò più avanti.

Ora per la tua domanda (modificata): Cosa succede quando l'onda elettromagnetica si propaga attraverso un mezzo con particelle ionizzate? In realtà, l'effetto più pronunciato causato dalla ionosfera era la riflessione delle onde radio nella ionosfera come dimostrato nell'anno 1901 da Marconi e menzionato da te. L'onda EM trasmessa si propaga verso l'alto attraverso l'atmosfera neutra senza gravi problemi (sì, sto semplificando troppo qui), ma in circa 50 km (giorno) - 80 km (notte) il numero di particelle ionizzate diventa così alto che iniziano a influenzare significativamente l'onda EM (ricordate la definizione di ionosfera?). Quando l'onda elettromagnetica (o il segnale radio) si propaga nel plasma (la ionosfera è plasma), gli elettroni liberi cominciano ad oscillare a seconda della frequenza dell'onda. Se la frequenza è bassa, gli elettroni oscillano lentamente in risonanza con la frequenza del segnale. Gli elettroni restituiscono, o emettono, parte dell'energia con la stessa frequenza a cui li costringe. Questa è la riflessione il meccanismo che si vuole capire. Potete immaginare che se la frequenza è alta, gli elettroni tendono a seguire questa alta frequenza e a "muoversi avanti e indietro" molto rapidamente. Tuttavia, quando la frequenza è così alta che gli elettroni non sono in grado di tenere il passo con l'onda EM, l'onda può passare attraverso il plasma e la riflessione non funziona qui. Bisogna dire che la frequenza massima che il plasma può ancora riflettere (o, più precisamente, la frequenza del plasma) è influenzata solo dalla densità di elettroni del plasma. Più elettroni ci sono in un cm cubo, più alta è la frequenza che il plasma può riflettere perché più elettroni significa maggiori forze repulsive tra loro e quindi gli elettroni sono in grado di oscillare con frequenza più alta.

Le frequenze tipiche del plasma nella ionosfera nel massimo della concentrazione di elettroni sono circa 6-12 MHz a seconda del giorno, della stagione, della fase del ciclo solare, della posizione sulla Terra e così via. Quindi significa che se si invia un'onda direttamente verso l'alto con una frequenza superiore a diciamo 12 MHz, non riflette e fugge nello spazio esterno. Il segnale con frequenza inferiore alla frequenza massima effettiva del plasma può essere riflesso nella ionosfera (di nuovo, non sto discutendo l'attenuazione di alcune frequenze e altri problemi). Ma è possibile riflettere la frequenza, diciamo 15 MHz, se si trasmette non verticalmente, ma con un certo angolo e questo è chiamato riflessione obliqua. Quindi non sarà possibile ascoltare le frequenze VHF delle tipiche trasmissioni radio FM a lunga distanza, ma è possibile rilevare le onde lunghe, medie e corte a lunga distanza sull'orizzonte. La ionosfera può influenzare anche i segnali con frequenze molto più alte, per esempio ritarda la propagazione dei sistemi GNSS/navigazione satellitare globale (Galileo, GPS, Glonass, BeiDou ecc.) e abbiamo bisogno di rimuovere gli errori ionosferici per ottenere una posizione precisa.

Se avete qualche domanda potete chiedere qui (ci sono molte cose che ho saltato e non è infatti "in dettaglio PROFONDO" ma spero di aver spiegato le cose più importanti).