L’observació i monitorització de l’estat de la ionosfera començà a l’Observatori de l’Ebre el 26 de març de 1955, data en la que s’inaugurà el primer sondejador ionosfèric de l’estat.
La ionosfera és la part de l'alta atmosfera, situada entre 60 i 1000 Km d’alçada aproximadament, que està dèbilment ionitzada. Això vol dir que els electrons s’han separat de les molècules que formen l’atmosfera i, així, es poden moure lliurement, donant a l’atmosfera interessants propietats elèctriques. A latituds mitjanes i baixes, és a dir, lluny dels pols, la ionització de l’atmosfera és deguda bàsicament a la radiació solar (en les bandes d’Ultraviolat i rajos X, que són absorbides a les capes altes de l’atmosfera). A latituds altes, és a dir, prop dels pols, la ionització de l’atmosfera és deguda bàsicament per la radiació corpuscular (partícules) transportada pel vent solar degut a l’efecte del camp magnètic terrestre. Aquest fet fa que la ionosfera es comporti com un conductor elèctric, capaç de modificar la propagació de les ones radioelèctriques desviant-les de la seva trajectòria en línia recta. Tant és així que pot reflectir algunes ones de ràdio, de fins uns 30 - 40 MHz, fent possible la comunicació entre dos llocs llunyans de la Terra salvant la seva curvatura o la seva orografia. També, la ionosfera pot afectar significativament els senyals enviats des dels satèl·lits, causant fortes interferències. Aquests motius, entre altres, fan que el seu coneixement sigui important, ja que té moltes aplicacions, tant científiques com tècniques.
Tot i que ja hi havia algun estudi teòric que apuntava que hi podia haver una capa conductora a la alta atmosfera, l’interès per aquesta regió augmentà després de que Marconi aconseguís transmetre senyals de ràdio des de Cornwall (Anglaterra) fins a Newfouland (Canadà) l’any 1901, amb les conseqüents hipòtesis que, de forma independent, van formular Kennelly i Heaviside. Aquests dos investigadors van apuntar que degut a la curvatura de la Terra, les ones de ràdio forçosament s’havien reflectit a una capa ionitzada, la ionosfera.
L’observació de la ionosfera terrestre es basa, predominantment, en tècniques de mesura indirecta aprofitant el fet de que les ones electromagnètiques, en presència d’un camp magnètic, són modificades durant la seva propagació al travessar un medi ionitzat.
Bàsicament, i a latituds mitjanes, l’estructura vertical de la ionosfera mostra tres regions, que en ordre ascendent anomenem D, E i F. La regió D (60-90 Km aproximadament) és una capa complexa des del punt de vista de la química de la seva formació i fortament controlada per la radiació solar, desapareixent pràcticament durant la nit. És la regió que més absorbeix les ones de ràdio, essent aquest el motiu pel qual durant la nit sigui més fàcil escoltar emissores de ràdio llunyanes. La següent regió és la E (90-120 km aprox.) que també està fortament controlada per la radiació solar, afeblint-se mol durant la nit i assolint el màxim al migdia local. En determinades circumstàncies apareix una segona capa, anomenada E esporàdica (Es) relacionada amb el cisallament. La regió més superior és la F (150-1000 Km aprox.) que a la vegada presenta, durant el dia i amb més importància durant l’estiu, dues capes que són la F1 i la F2. Durant la nit únicament roman la capa F2 que és la que conté la major concentració d’electrons. En general és la responsable de que puguem mantenir comunicacions via ràdio a llargues distàncies.
La tècnica que s’utilitza actualment a l’observatori per estudiar la ionosfera és el sondeig per incidència vertical. Aquest es basa, de forma resumida, en l'emissió vertical de polsos d’ones de ràdio de freqüència coneguda. Aquests polsos es reflecteixen a la ionosfera, si hi ha una densitat electrònica suficient, i es reben a l'estació ionosfèrica. Coneguts el temps d’emissió i recepció, i assumint una velocitat de propagació igual a la de la llum, es determina l’altura virtual a la que ha tingut lloc la reflexió. Aquest principi ens és familiar ja que és el principi de funcionament del radar, tot i que cal recordar que aquest es va desenvolupar a partir de les tècniques de sondeig ionosfèric.
L’instrument que hi ha instal·lat actualment a l’Observatori és un sondejador ionosfèric DPS-4D desenvolupat i construït per Lowell Digisonde International en col·laboració amb UMass Lowell Center for Atmospheric Research. De forma rutinària es realitza un sondeig cada 15 minuts, podent-se modificar aquesta cadència durant campanyes específiques. L'instrument compta amb una antena emissora, una unitat de control i processament i un camp d’antenes receptores. Aquesta estació, singular a la Península Ibèrica, forma part d’una xarxa d’observació ionosfèrica d’àmbit mundial GIRO i proveeix informació per als productes de la xarxa europea DIAS.
El sistema compta amb targes complementàries de codificació de fase i es beneficia de tecnologia de radar en HF avançada, com compressió de polsos i integració coherent de fase, podent-se utilitzar també com un analitzador d’espectre en HF. Així, permet obtindre la fase del senyal en cadascuna de les quatre antenes receptores de la xarxa per cada component espectral, i identificar l’angle des d’on provenen els polsos reflectits a la ionosfera (azimut i elevació), la seva polarització, el desplaçament Doppler sofert i el temps de vol, des de l’emissió fins la recepció.
Entre els registres que ens proporciona el sistema el més clàssic és l'ionograma. El sistema efectua un escombrat de freqüències i s’obté una representació de la freqüència de sondeig en funció de l'altura virtual (temps de vol). L'altura virtual és més gran que la altura real, degut a que la ionosfera actua com un medi de propagació dispersiu, que fa que la velocitat de propagació d’aquests polsos en el medi sigui menor que la de la llum. No obstant, aplicant algorismes d’inversió de l'ionograma s’obté un perfil de densitat electrònica en altura real. A més, mitjançant la integració del perfil de densitat electrònica en altura, es pot estimar el Contingut Total d’Electrons (CTE).
Un altre tipus de registre que ens proporciona el sistema és el mapa del cel (skymap). En ell es recull, per una determinada banda de freqüències i un determinat rang d’alçades de reflexió, l’angle des d'on provenen els polsos reflectits en la ionosfera (azimut i elevació) i el desplaçament Doppler sofert. Aquesta informació ens indica el lloc sobre la vertical on s’han produït les reflexions (si la capa reflectora està inclinada o si presenta irregularitats) i si aquests punts de reflexió es mouen respecte la font d’emissió (si la capa reflectora és dinàmica), proporcionant-nos la velocitat aparent de deriva de la capa reflectora. En el cas ideal d’una ionosfera en calma caldria esperar que totes les reflexions rebotessin sobre la vertical (centre del mapa) amb un desplaçament Doppler nul.
A partir d’un ionograma es mesuren bàsicament les freqüències crítiques de cada capa i les altures virtuals, a més de paràmetres de propagació com ara el M(3000) F2 i es pot derivar el perfil de densitat electrònica en funció de l‘altura. Cada dia es mesuren els ionogrames horaris, i es calcula la variabilitat dia a dia de la freqüència de plasma amb la altura.
A la base de dades de l’Observatori es disposa de tota la sèrie de paràmetres ionosfèrics digitalitzada des del seu inici l’any 1955, elaborant-se cada any un butlletí ionosfèric que podeu consultar des de l’any 2004 a la nostra plana web, així com un catàleg de les dades disponibles. Aquesta gran quantitat de dades, juntament amb dades d’altres observatoris, ens permet analitzar i conèixer l’estat de la ionosfera tant en temps de calma com en períodes pertorbats degut als efectes de les tempestes geomagnètiques sobre la ionosfera.
Des de l’any 2004, l’Observatori de l’Ebre té instal·lat un sondejador ionosfèric a l’Illa de Livingston, a l’Antàrtida, per tal de poder estudiar l’estat de la ionosfera a latituds remotes. Degut a les necessitats tècniques de l’aparell, aquest sondejador només està operatiu durant l’estiu austral, quan la base està oberta. L’aparell és un Advanced Ionspheric Sounder desenvolupat per l'Istituto Nacionale de Geofisica e Vulcanologia italià (AIS_IGNV) i ens proporciona ionogrames horaris que són analitzats a l’Observatori.
Durant la història de la observació ionosfèrica a l’Observatori de l’Ebre s’han emprat altres sistemes a més del sondejador ionosfèric, com ha estat el mètode d’absorció A3, que servia per l’estudi de la regió D, i el càlcul del CTE mitjançant el càlcul de la rotació de Faraday. Actualment, la tècnica de mesura del CTE es basa en analitzar els senyals emesos per la constel•lació de satèl·lits GPS, GLONASS, GALILEO, etc, coneguts com GNSS (de l’anglès Global Navigation Satellite Systems). Aquests emeten dues freqüències com a mínim i és necessari disposar de receptors GNSS adequats, amb el que és possible diferenciar les dues fases associades a les citades freqüències, el que permet determinar els retards de fase deguts a la propagació dels senyals a través de la ionosfera. Aquests retards són proporcionals, excepte termes deguts a l’instrumental, a la densitat electrònica integrada en tot el camí del raig, i permeten obtenir el CTE. Actualment hi ha instal·lat a l’Observatori un receptor GPS de l’Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya des de 1996.
