Come interpretare uno ionogramma

Cenni sulla struttura della ionosfera

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La IONOSFERA è una porzione dell’atmosfera terrestre compresa tra 50 e 600 chilometri di distanza dalla superficie del nostro pianeta. Questa zona risulta ricca di ioni, quindi di elettroni liberi, a causa dell’azione ionizzante dell’attività solare.

Data la mutevolezza dell’attività solare la densità di elettroni liberi presenti nella ionosfera varia in base al ciclo giorno-notte, alle stagioni, alla latitudine e a eventi particolari quali le tempeste solari.

La ionosfera è suddivisa in differenti sotto-regioni chiamate strati, elencati di seguito assieme alla loro distanza rispetto alla superficie terrestre:

• Strato D: 50 ÷ 90 km;
• Strato E ed E sporadico : 90 ÷ 140 km;
• Strato F: da 140 a oltre 380 km.

Durante il giorno lo strato F si suddivide nei due strati F1 e F2.
Durante la notte gli strati D, E ed F1 svaniscono, mentre persiste lo strato F.

La comparsa dello strato E sporadico è un fenomeno imprevedibile che può verificarsi sia di giorno che di notte, prevalentemente durante l’estate.

Rifrazione delle onde radio

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Un’onda radio trasmessa a uno strato ionizzato viene sempre rifratta, o incurvata nel suo cammino. Questa curvatura prende il nome di rifrazione. La rifrazione può essere tale da reindirizzare l’onda verso il suolo, consentendo così collegamenti radio a lunga distanza, oltre la curvatura terrestre.

La skip distance (distanza "skip") identifica la distanza sulla superficie terrestre tra i punti ove l’onda radio viene emessa e dove fa ritorno al suolo.

L’intensità della rifrazione dipende da tre fattori principali:

1. La densità di ionizzazione dello strato.
2. La frequenza dell’onda radio.
3. L’angolo di incidenza dell’onda radio sullo strato.

Densità dello strato

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La densità di uno strato ne determina la frequenza critica, la quale identifica la frequenza massima che può essere rifratta per incidenza normale (verticale).

Frequenze superiori a quella critica non verranno più rifratte verticalmente dallo strato ma lo attraverseranno, disperdendosi nello spazio oppure venendo eventualmente rifratte da strati superiori con frequenza critica maggiore.

Frequenza e angolo di incidenza

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Quando la rifrazione è tale da reindirizzare verso terra l’onda, quest’ultima farà ritorno al suolo con un angolo simile all’angolo di incidenza.

Si definisce così angolo critico l’angolo massimo (calcolato tra il suolo e l’elevazione del segnale) al quale un’onda radio che viene inviata verso la ionosfera farà ritorno a terra:

• l’angolo critico si applica alla rifrazione di una determinata frequenza da parte di tutta la ionosfera, non di un singolo strato.
• una antenna solitamente emette onde a diverse angolazioni. Il fronte d’onda posizionato alla giusta angolazione risulterà quello utile al collegamento radio; quello posizionato a un angolo superiore si disperderà nello spazio mentre quello posto a un angolo inferiore verrà assorbito prima di essere rifratto.
• Il valore dell’angolo critico dipende dalla frequenza dell’onda e dalla densità dello strato: all’aumentare della frequenza l’angolo critico deve diminuire affinché possa avvenire la rifrazione.

Effetti degli strati sulle Onde Corte

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Con onde corte (HF, High Frequency) si designano le onde radio comprese nell’intervallo di frequenza 3 ÷ 30 Megahertz (MHz).

STRATO D

• Mostra una bassa ionizzazione. Alle basse e medie frequenze lo strato D diviene altamente assorbente. A frequenze superiori ai 3 MHz lo strato D inizia a perdere le sue proprietà assorbenti.
• Dopo il tramonto lo strato D svanisce, rendendo possibile l’utilizzo di frequenze medio-basse anche per collegamenti a lunga distanza (grazie alla propagazione fornita dagli strati E ed F.)

Strato E
Consente comunicazioni a medio raggio e rifrange efficacemente frequenze fino a circa 30 Mhz¹. Frequenze superiori solitamente lo attraversano, salvo in rari casi di E sporadico; lo strato E sporadico può apparire in orario notturno sopra specifiche regioni terrestri a causa dei brillamenti solari.

Strato F
Lo strato più importante riguardo la propagazione delle HF:

• È presente sia di giorno che di notte, sebbene la minor densità elettronica notturna determini una riduzione della frequenza critica.
• Mostra le maggiori capacità di propagazione grazie all’elevata quota, consentendo collegamenti a lunga distanza (fino a 5000 chilometri con un solo salto.)
• Durante i periodi di maggiore attività solare restituisce frequenze che possono raggiungere i 50 Mhz (e oltre in rare occasioni) mentre nei periodi di minima attività la frequenza massima utilizzabile può scendere fino a 10 MHz.

Ionosonde e ionogrammi

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Una ionosonda è un sistema radar operante in banda HF che consente di analizzare la ionosfera per misurare altezze virtuali e frequenze critiche dei suoi diversi strati.
L’analisi viene effettuata inviando verso l’alto segnali radio pulsati nell’intero intervallo delle onde corte, ricevendo e analizzando gli echi generati dalla rifrazione delle onde radio sui diversi strati della ionosfera.

Uno ionogramma è una rappresentazione grafica dei dati prodotti da una ionosonda.
Uno ionogramma dunque è un grafico che mostra l’altezza alla quale le diverse frequenze HF vengono rifratte dalla ionosfera (trattasi di altezze virtuali perché calcolate assumendo una deviazione netta, mentre nella realtà l’onda viene gradualmente deviata in un mezzo con indice di rifrazione variabile.)

Gli ionogrammi vengono utilizzati per misurare variazioni della ionosfera appunto (per es. in caso di tempeste solari), così come per identificare la frequenza radio ottimale per i servizi di broadcasting o il collegamento tra stazioni vicine o distanti.

Ionosonde italiane

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Le ionosonde italiane sono gestite dall’INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia).

Frequenza Critica e Frequenza Massima Utilizzabile

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Uno ionogramma riporta sigle tra le cui più importanti vi sono le seguenti.

Frequenza Critica foF2
La frequenza massima che può essere rifratta verticalmente dallo strato F2; la foF2 dipende dalla densità elettronica massima dello strato F2 ed è di fondamentale importanza per la propagazione NVIS².

Frequenza Massima Utilizzabile (MUF)³

• La più alta frequenza che può essere rifratta dalla ionosfera per stabilire un collegamento radio tra due stazioni terrestri posizionate a una specifica distanza; il valore della MUF dipende dall’angolo di incidenza dell’onda radio sulla ionosfera.
• La dicitura MUF(3000) indica la massima frequenza utilizzabile per un radiocollegamento alla distanza standard di 3000 chilometri, dunque un caso tipico di propagazione a lunga distanza.

Di conseguenza:

• Frequenze inferiori alla foF2 possono essere rifratte per angoli di incidenza prossimi alla verticale, consentendo la propagazione a corto raggio dunque collegamenti a breve distanza (es. tramite la tecnica NVIS.)

• Frequenze superiori alla foF2 non vengono più rifratte per incidenza verticale, ma possono ancora essere rifratte per incidenze oblique sulla ionosfera, entro la frequenza massima determinata dalla MUF per una certa distanza tra le stazioni radio.

Interpretazione base di uno ionogramma

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Per capire come leggere uno ionogramma si prenda come esempio quello prodotto dalla stazione INGV di Roma alle ore 14.30 UTC del 22/04/2025.

Il grafico riporta i valori:

• foF2 = 10,0 Mhz.
• MUF(3000)F2 = 29,2 MHz.

Dunque per tempo e luogo specifici dell’esempio se ne ricava che:

• Collegamenti a breve distanza (o segnali NVIS) saranno possibili utilizzando frequenze entro i 10,0 Mhz, perché oltre quel valore non sarà più possibile sfruttare incidenze verticali.

• Collegamenti a lunga distanza (3000 chilometri standard) saranno possibili utilizzando frequenze di poco inferiori ai 29,2 MHz, sfruttando incidenze oblique sulla ionosfera.

Bibliografia

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Di seguito una raccolta di documenti utili ad approfondire gli argomenti trattati.

1. INGV - La Ionosfera - https://roma2.ingv.it/ricerca/temi-di-ricerca/fisica-alta-atmosfera/la-ionosfera

2. INGV, 2019 - L’antenato del radar: la ionosonda - https://ingvambiente.com/2019/04/23/lantenato-del-radar-la-ionosonda/

3. Piggott, W. R.; Rawer, K. (Karl), 1978 - URSI Handbook of Ionogram Interpretation and Reduction - https://repository.library.noaa.gov/view/noaa/10404

4. Australian Space Weather Forecasting Centre, 2016 – Introduction to HF Radio Propagation - https://www.sws.bom.gov.au/Educational/5/2/2

5. Paul Harden (NA5N), 2005 - Solar Activity & HF Propagation - https://www.zianet.com/QRP/solar_article.pdf

6. UK Solar System Data Centre – Interpreting an Ionogram - https://www.ukssdc.ac.uk/ionosondes/ionogram_interpretation.html