La observación y monitorización del estado de la ionosfera comenzó en el Observatori de l’Ebre el 26 de marzo de 1955, fecha en la que se inauguró el primer sondeador ionosférico del estado.
La ionosfera es la parte de la alta atmósfera, situada aproximadamente entre 60 y 1000 Km de altura y que está débilmente ionizada. Esto quiere decir que los electrones se han separado de las moléculas que forman la atmósfera y, así, pueden moverse libremente, dotando a la atmósfera de interesantes propiedades eléctricas. En latitudes medias y bajas, es decir, lejos de los polos, la ionización de la atmósfera se debe básicamente a la radiación solar (en las bandas de Ultravioleta y rayos X, que son absorbidas por las capas altas de la atmósfera). En altas latitudes, es decir, cerca de los polos, la ionización de la atmósfera se debe básicamente a la radiación corpuscular (partículas) transportada por el viento solar por efecto del campo magnético terrestre. Éste hecho hace que la ionosfera se comporte como un conductor eléctrico, capaz de modificar la propagación de las ondas radioeléctricas desviándolas de su trayectoria en línea recta. Tanto es así, que puede reflejar algunas ondas de radio, de hasta unos 30 - 40 MHz, haciendo posible la comunicación entre dos lugares lejanos de la Tierra salvando su curvatura o su orografía. La ionosfera también puede afectar significativamente las señales enviadas desde los satélites, causando fuertes interferencias. Estos motivos, entre otros, hacen que su conocimiento sea importante, ya que tiene muchas aplicaciones, tanto científicas como técnicas.
Aunque ya existía algún estudio teórico que apuntaba que podía existir una capa conductora en la alta atmósfera, el interés por esta región aumentó después de que Marconi consiguiese transmitir señales de radio desde Cornwall (Inglaterra) hasta Newfouland (Canadá) el año 1901, con las consecuentes hipótesis que, de forma independiente, formularon Kennelly y Heaviside. Estos dos investigadores apuntaron que debido a la curvatura de la Tierra, las ondas de radio forzosamente se habían reflejado en una capa ionizada, la ionosfera.
La observación de la ionosfera terrestre se basa, predominantemente, en técnicas de medida indirecta aprovechando el hecho de que las ondas electromagnéticas, en presencia de un campo magnético, son modificadas durante su propagación al atravesar un medio ionizado.
Básicamente, y en latitudes medias, la estructura vertical de la ionosfera muestra tres regiones, que en orden ascendente se llaman D, E y F. La región D (60-90 Km aproximadamente) es una capa compleja desde el punto de vista de la química de su formación, estando altamente controlada por la radiación solar y desapareciendo prácticamente durante la noche. Es la región que más absorbe las ondas de radio, siendo éste el motivo por el cual durante la noche es más fácil escuchar emisoras de radio lejanas. La siguiente es la región E (90-120 km aprox.) que también está fuertemente controlada por la radiación solar, debilitándose mucho durante la noche y alcanzando el máximo en el mediodía local. En determinadas circunstancias aparece una segunda capa, llamada E esporádica (Es) relacionada con la cizalladura del viento neutro. Por encima de éstas está la región F (150-1000 Km aprox.) que a su vez presenta, durante el día y con más importancia durante el verano, dos capas que son la F1 y la F2. Durante la noche únicamente permanece la capa F2 que es la que contiene la mayor concentración de electrones. En general es la responsable de que podamos mantener comunicaciones vía radio a largas distancias.
La técnica que se utiliza actualmente en el observatorio para estudiar la ionosfera es el sondeo por incidencia vertical. Este se basa, de forma resumida, en la emisión vertical de pulsos de ondas de radio de frecuencia conocida. Estos pulsos se reflejan en la ionosfera, si hay una densidad electrónica suficiente, y se reciben en la estación ionosférica. Conocidos el tiempo de emisión y recepción, y asumiendo una velocidad de propagación igual a la de la luz, se determina la altura virtual a la que ha tenido lugar la reflexión. Este principio nos es familiar ya que es el principio de funcionamiento del radar, aunque cabe recordar que éste se desarrolló a partir de las técnicas del sondeo ionosférico.
El instrumento actualmente instalado en el Observatori de l'Ebre es un sondeador ionosférico DPS-4D desarrollado y construido por Lowell Digisonde International en colaboración con UMass Lowell Center for Atmospheric Research. De forma rutinaria se realiza un sondeo cada 15 minutos, pudiéndose modificar esta cadencia durante campañas específicas. El instrumento cuenta con una antena emisora, una unidad de control y procesamiento y un campo de antenas receptoras. Esta estación, singular en la Península Ibérica, forma parte de una red de observación ionosférica de ámbito mundial GIRO y provee información para los productos de la red europea DIAS.
El sistema cuenta con tarjetas complementarias de codificación de fase y se beneficia de tecnología avanzada de radar en HF, como compresión de pulsos e integración coherente de fase, pudiéndose utilizar también como un analizador de espectro en HF. Así, permite obtener la fase de la señal en cada una de las cuatro antenas receptoras de la red para cada componente espectral, e identificar el ángulo desde donde provienen los pulsos reflejados en la ionosfera (acimut y elevación), su polarización, el desplazamiento Doppler sufrido y el tiempo de vuelo, desde la emisión hasta la recepción.
Entre los registros que proporciona el sistema, el más clásico es el ionograma. El sistema efectúa un barrido en frecuencia, obteniéndose una representación de la frecuencia de sondeo en función de la altura virtual (tiempo de vuelo). La altura virtual es mayor que la altura real, debido a que la ionosfera actúa como un medio de propagación dispersivo, por lo que la velocidad de propagación de estos pulsos en el medio es menor que la de la luz. No obstante, aplicando algoritmos de inversión del ionograma, se obtiene un perfil de densidad electrónica en altura real. Además, mediante la integración del perfil de densidad electrónica en altura, se pude estimar el Contenido Total de Electrones (CTE).
Otro tipo de registro que proporciona el sistema es el mapa del cielo (skymap). En él se recogen, para una determinada banda de frecuencias y un determinado rango de alturas de reflexión, el ángulo desde donde provienen los pulsos reflejados en la ionosfera (acimut y elevación) y el desplazamiento Doppler sufrido. Esta información nos indica el lugar sobre la vertical donde se han producido las reflexiones (si la capa reflectante está inclinada o si presenta irregularidades) y si estos puntos de reflexión se mueven respeto a la fuente de emisión (si la capa reflectante es dinámica), proporcionándonos la velocidad aparente de deriva de la capa reflectante. En el caso ideal de una ionosfera en calma habría que esperar que todas las reflexiones rebotaran sobre la vertical (centro del mapa) con un desplazamiento Doppler nulo.
En un ionograma se miden básicamente las frecuencias críticas de cada capa y las alturas virtuales, además de parámetros de propagación como por ejemplo el M(3000) F2, pudiéndose derivar el perfil de densidad electrónica en función de la altura. Cada día se miden los ionogramas horarios, y se calcula la variabilidad día a día de la frecuencia de plasma con la altura.
La base de datos ionosféricos del observatorio contiene toda la serie de parámetros ionosféricos digitalizados desde su inicio en el año 1955, elaborándose cada año un boletín ionosférico que puede descargarse de nuestra página web desde el correspondiente al año 2004. También puede consultarse el catálogo de los datos disponibles. Esta gran cantidad de datos, junto con datos de otros observatorios, permite analizar y conocer el estado de la ionosfera tanto en intervalos de calma como en periodos perturbados debidos a los efectos de las tormentas geomagnéticas sobre la ionosfera.
Desde el año 2004, el Observatori de l’Ebre tiene instalado un sondeador ionosfério en la isla Livingston, en la Antártida, para poder estudiar el estado de la ionosfera en latitudes remotas. Debido a las necesidades técnicas del aparato, este sondeador sólo está operativo durante el verano austral, cuando la base está abierta. El instrumento es un Advanced Ionspheric Sounder desarrollado por el Istituto Nacionale de Geofisica e Vulcanologia italiano (AIS_IGNV) y proporciona ionogramas horarios que son analizados en el observatorio.
Durante la historia de la observación ionosférica en el Observatori de l’Ebre se han empleado otros sistemas además del sondeador ionosférico, como ha sido el método de absorción A3, que servía para el estudio de la región D, y el cálculo del CTE mediante el cálculo de la rotación de Faraday. Actualmente, la técnica de medida del CTE se basa en analizar las señales emitidas por la constelación de satélites GPS, GLONASS, GALILEO, etc., conocidos como GNSS (del inglés Global Navigation Satellite Systems). Estos emiten dos frecuencias como mínimo, siendo necesario disponer de receptores GNSS adecuados, con los que es posible diferenciar las dos fases asociadas a las citadas frecuencias, lo que permite determinar los retrasos de fase debidos a la propagación de las señales a través de la ionosfera. Estos retrasos son proporcionales, excepto términos debidos al instrumental, a la densidad electrónica integrada en todo el camino del rayo, y permiten obtener el CTE. Desde 1996, l’Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya mantiene operativo en el observatorio un receptor GPS.
