Sondaggio Ionosferico

Il sondaggio ionosferico si effettua utilizzando un sistema radar in banda HF usualmente detto ionosonda. Il trasmettitore (TX) emette brevi impulsi di energia a radiofrequenza verso la ionosfera che li riflette; il ricevitore (RX) registra il ritardo temporale tra la trasmissione e la ricezione degli impulsi.
Variando la frequenza della portante degli impulsi viene registrato il tempo di ritardo a diverse frequenze. Tale registrazione, di solito presentata sotto forma di grafico, è detta ionogramma.
Dall’analisi di uno ionogramma è possibile ricavare informazioni su numerosi parametri ionosferici che rivestono un ruolo importante sia per studi di fisica ionosferica, sia per scopi di radio comunicazione.

Sondaggio Verticale

Per realizzare un sondaggio verticale TX e RX sono posti nello stesso luogo (Figura 1).

Figura 1

Sondaggio ionosferico verticale

Variando la frequenza della portante degli impulsi trasmessi da 1 a 20 MHz viene registrato il tempo di ritardo a differenti frequenze. Tale registrazione, indicata con il nome di ionogramma (Figura 2), si presenta di solito nella forma di un grafico in cui, al posto dei tempi di ritardo, vengono rappresentate le altezze virtuali di riflessione in funzione della frequenza.

La relazione tra altezza virtuale e tempo di ritardo è espressa dalla seguente equazione:

(1) h′ = (cΔt)/2 ,

dove Δt è il tempo di ritardo, h′ è l’altezza virtuale di riflessione e c è la velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto.

Figura 2

Ionogramma verticale

Dall’analisi di uno ionogramma verticale un operatore può ricavare informazioni su numerosi parametri ionosferici. La figura 3 mostra, per uno ionogramma diurno, le altezze virtuali e le frequenze critiche dei principali strati ionosferici.

Figura 3

Alcuni parametri ionosferici ricavabili dallo ionogramma verticale

Negli ultimi anni, soprattutto per scopi di Space Weather, è stata avvertita la crescente necessità di dati ionosferici in tempo reale. Per questo fin dagli anni ottanta molto sforzi sono stati diretti allo sviluppo di algoritmi in grado di interpretare automaticamente gli ionogrammi verticali, fornendo come output le principali caratteristiche ionosferiche.

L’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia ha recentemente sviluppato una ionosonda digitale detta Advanced Ionospheric Sounder (AIS-INGV) insieme ad un programma, chiamato Autoscala, capace di interpretare automaticamente le principali caratteristiche ionosferiche da uno ionogramma.

La figura 4 mostra lo stesso ionogramma della figura 3 elaborato da Autoscala.

Figura 4

Ionogramma elaborato dal programma Autoscala

L’INGV effettua sondaggi verticali nelle stazioni ionosferiche di Roma (Italia, 41.8° N, 12.5° E), Gibilmanna (Italia, 37.9° N, 14.0° E), Stazione Mario Zucchelli (Baia Terra Nova, Antartide, 74.7° S, 164.1° E), e Tucumán (Argentina, 26.9° S, 294.6 E). I dati elaborati da tali stazioni sono archiviati in un database relazionale e pubblicati sul web nell’ambito del progetto eSWua. I dati registrati a Roma vengono anche utilizzati nell’ambito dei progetti GIFINT, DIAS e MIRTO.

Sondaggio Obliquo

La tecnica per effettuare un sondaggio obliquo è simile a quella che si usa per effettuare un sondaggio verticale, tranne per il fatto che trasmettitore (TX) e ricevitore (RX) si trovano in posti differenti (Figura 5).

Figura 5

Sondaggio obliquo

Variando la frequenza della portante degli impulsi tra 2 e 30 MHz si registra, al variare della frequenza, il tempo di ritardo tra l’impulso trasmesso e quello ricevuto in seguito alla riflessione ionosferica. Tale registrazione, detta ionogramma obliquo, è presentata sotto forma di grafico in cui il tempo di ritardo è funzione della frequenza (Figura 6).

Figura 6

Ionogramma obliquo

Da uno ionogramma obliquo si possono derivare informazioni su numerose caratteristiche ionosferiche. Tra queste la più importante è senza dubbio la MUF (dall’inglese Maximum Usable Frequency), che rappresenta la massima frequenza utilizzabile per effettuare un radio collegamento su una certa distanza d tra TX e RX, per riflessione ionosferica, con una sola riflessione sullo strato F.

Nell’aprile 2005 l’INGV ha istallato a Chania (Creta, Grecia, 35.7° N, 24.0° E) un ricevitore HF per sondaggi obliqui, modello RCS-5B, per studiare le proprietà del plasma ionosferico sul percorso Chania-Inskip (UK, 53.5° N, 2.5° W).