Gli Ionogrammi: come leggerli

Questo articolo nasce da una discussione nata sulla chat interna del Gruppo RPS: si parlava di previsioni di propagazione e di "ionogrammi"... alle richieste di delucidazioni, Saverio IK7IWF, aveva spiegato così bene la problematica che era un peccato lasciare i testi a scomparire sulla chat... ne è nato quindi, il "porting" verso questa pagina del sito.

Personalmente, ringrazio Saverio per la supervisione di questo articolo e per l'autorizzazione a pubblicare qui la sua esperienza.

Ma, prima di tutto, che cos'è uno Ionogramma?

Si tratta di esplorazioni della ionosfera (la parte della atmosfera terrestre in cui ha sede la ben nota "propagazione") effettuate con tecnica radar. Lanciando un segnale nello spazio e verificandone il ritorno, conoscendo la sua velocità di propagazione, viene calcolata l'altezza a cui la riflessione è avvenuta.

E, si qui, nessun problema.

È chiaro che, uno ionogramma, non interessa una sola frequenza ma, con tecniche radar, viene indagato l'intero spettro delle HF (ed anche oltre i 30 MHz) mediante brevi segnali che, spesso, ascoltiamo anche noi, come impulsi «di passaggio» sulla frequenza dove stiamo operando.

Gli ionogrammi, in Italia, sono resi pubblici dall'Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, sul proprio sito internet; all'indirizzo seguente:

http://ionos.ingv.it/Roma/latest.html

è possibile scaricare sempre l'ultimo ionogramma realizzato.

Analizzando l'immagine proposta, notiamo subito, nella sua parte destra, alcune sigle di grande interesse per noi:

Fo F2 = È la frequenza massima in cui lo strato F2 garantisce la riflessione con angolo di incidenza a 90 gradi (lo zenit), quindi riflessioni verticali. È opportuno ricordare qui che, lo strato F2, è il luogo della ionosfera dove si riscontra il massimo assoluto di densità elettronica e si trova a quote comprese tra i 250 e 400 km.

Fx l = È la frequenza critica, cioè la frequenza oltre la quale non sono possibili riflessioni verticali, quindi le riflessioni sono possibili per skip via via più lunghi e salendo di frequenza quindi diminuiscono gli angoli di incidenza e contemporaneamente si può sfruttare il minor assorbimento dell'E sporadico. Oltre questa frequenza si possono effettuare collegamenti a lunga distanza (i nostri famosi "DX")

Ft Es = è la Frequenza di taglio dell'E-sporadico; tutte le frequenze al di sotto di «Ft Es» vengono assorbite dall'E-sporadico. Nell'immagine, prima dei MHz FtEs è indicata l'altezza della riflessione che coincide con l'altezza dello strato E: circa 100 Km.

Nell'immagine, inoltre, sull'asse delle ascisse (la riga in orizzontale, o X) è rappresentata la frequenza, mentre sull'asse delle ordinate (la riga in verticale, o "Y") è rappresentata l'altezza dal suolo terrestre.

Le linee che si vedono tracciate a poco più di 300Km dal suolo, indicano l'altezza per cui l'onda viene riflessa verticalmente in funzione della frequenza impiegata, quindi salendo di frequenza si può vedere che aumenta l'altezza delle riflessioni, aumentando automaticamente i tempi di ritorno a terra dell'onda (maggior tempo di ritardo, maggiore altezza).

Oltre la frequenza critica non sono più possibili le riflessioni verticali: al loro posto sussistono riflessioni per angoli di incidenza che vanno diminuendo all'aumentare della frequenza, abbassandosi sempre di più verso l'orizzonte.

Dal diagramma sottostante, invece, è possibile vedere, con la linea verde, la concentrazione di ioni per metro cubo in funzione dell'altezza dal suolo: la concentrazione è massima a «Fo F2» (mediamente 1012 e/mq di giorno e 51010 e/mq durante la notte), cioè cioè quel parametro che determina tutte le caratteristiche dello strato F2, soprattutto la riflessione allo zenit.

Nel riquadro in alto a destra sono riportati i parametri principali ma, quello che più interessa, è la cosiddeta "MUF" (acronimo di Max Usable Frequency).

Il sito propone anche un altro link molto interessante:

http://ionos.ingv.it/Roma/ionograms/

Dove è possibile consultare gli ionogrammi delle giornate precedenti, sino a poco più di un anno indietro.

Un caso reale

Nell'immagine che segue (rielaborata e dove ho invertito i colori per avere uno sfondo bianco al posto di quello nero), è possibile analizzare lo ionogramma delle frequenze alla mezzanotte del 28 aprile 2023: la frequenza critica "Fx l" era intorno ai 6,5 MHz e la MUF poco oltre i 17 MHz:

In quel momento, in banda 40 metri, erano presenti due stazioni del Gruppo RPS, distanti tra loro una sessantina di Km: tra esse, si avevano angoli di riflessione non stabili stimati intorno a 85° che permettevano quel poco di collegamento ionosferico con una certa distorsione della voce. In QSO c'era anche una stazione in provincia di Caserta che, però, giungeva con segnali oltre il 9+20 db.

Pertanto, riepilogando, superata la frequenza critica, gli angoli di riflessione ionosferica tendono ad abbassarsi consentendo, entro il limite indicato dalla MUF, collegamenti a lunga distanza; al contrario, entro la frequenza critica, gli angoli tendono ad alzarsi verso lo zenit, permettendo collegamenti a breve distanza e skip estremamente corti.

La "Zona d'Ombra"

Inoltre, se per una data frequenza non sono possibili le riflessioni verticali, si viene a creare una zona d'ombra che va dalla distanza massima dell'onda diretta, o di terra, alla distanza dello skip minimo: è chiaro che il taglio non è netto, ma ci sono delle aree dove comunque è possibile un minimo di riflessione.

Salendo di frequenza ed in prossimità della MUF, l'E-sporadico non dà molto fastidio, soprattutto perché la frequenza è alta, ma anche per il fatto che, essendo le riflessioni non nette, l'onda attaversa degli strati di ionosfera in grado di generare le cosiddette «onde straordinarie» cioè con polarizzazione circolare, oppure creare cambi di polarizzazione il cui angolo dipende dalla distanza attraversata nel tratto di plasma ionosferico (rotazione di Faraday).

Queste «onde straordinarie», la cui propagazione è particolare a causa della loro polarizzazione, sono difficili da sfruttare, perché il senso di rotazione della polarizzazione può essere destrorso o sinistrorso e, per chi usa antenne a loop (cubiche, delta loop, ecc.), i segnali captati diventano maledettamente instabili.

Il motivo è da ricercarsi nel modo con cui le antenne sono alimentate: quindi, spesso, può succedere che si riceve molto meglio da dietro che davanti.

Ritornando al discorso dei problemi di operatività in presenza di "onde straordinarie", le difficoltà dipendono, principalmente, dal fatto che le antenne a loop hanno una parte di radiazione orizzontale e una parte di radiazione verticale. Queste due radiazioni sono sfasate di 90 gradi e, quindi, sarebbe una polarizzazione circolare, anche se vettorialmente "ellittica" e con un senso di rotazione che dipende dall'alimentazione dell'impianto di antenna.

Volendo ulteriormente esemplificare, il problema che nasce quando queste «onde straordinarie» vengono gestite usando antenne a loop, consiste nel fatto che, se il loop in questione è alimentato per ricevere davanti una rotazione destra oltre a una polarizzazione prevalentemente orizzontale, si vede arrivare un'onda a polarizzazione circolare sinistra che non fa combaciare mai la fase di rotazione con quella per cui il loop è impostato. Questa situazione provoca un QSB molto veloce, determinato dalla quantità di polarizzazione verticale sfasata di 90° che si è generata dall'attraversamento del plasma ionico prima e dopo la riflessione. In pratica, basterebbe invertire i poli del simmetrizzatore collegati al loop per far sparire il QSB selvaggio, ma servirebbe a poco perché l'onda potrebbe cambiare senso di rotazione in qualsiasi momento. Per questo motivo, in certi casi, si riceve meglio da dietro che davanti, proprio perché un'antenna loop mostra rotazioni opposte fra avanti e dietro.

Inoltre, per comprendere meglio come irradia un'antenna a loop, bisogna pensare che genera una radiazione con rotazione destrorsa in avanti ed una seconda con rotazione sinistrorsa nella parte retrostante dell'aereo.

Al contrario, se si usa un'antenna Yagi, questi problemi di "irradiazione circolare" non sussistono.

Di solito, si scelgono antenne a loop per via del fatto che, raccogliendo in parte entrambe le polarizzazioni, in condizioni ionosferiche normali, i segnali sono più stabili anche con i salti di polarizzazione; tuttavia, nel caso estremo di riflessioni con "onde straordinarie", si comporta meglio una Yagi.

Insomma... È la solita storia che non esiste un'antenna perfetta per tutte le condizioni di propagazione.

Il video degli Ionogrammi di Roma Radio

Per scopo esclusivamente didattico ho realizzato un video dalle immagini pubblicate nelle giornate del 16, 17, 18 e 19 marzo 2024.

Nel pomeriggio di questi giorni, infatti, si sono verificate delle ottime aperture propagative in banda radioamatoriale dei 10 metri che hanno permesso buoni collegamenti con gli Stati Uniti (tutte le zone, compresa la Pacifica) e l'Estremo Oriente.

L'animazione permette di notare il crescere del parametro MUF (Max Usable Frequency) durante il giorno, con un massimo di oltre 34 Mhz e stabilire facili correlazioni con gli altri parametri: