L’antenato del radar: la ionosonda

Pochi sanno che il meccanismo base del funzionamento del radar vide la luce quasi 100 anni fa per scopi scientifici.

di E. Zuccheretti e U. Sciacca

Sentendo la parola “radar” molti di noi, quasi automaticamente, penseranno ad applicazioni civili e militari basate su una tecnologia avanzata. Ma il progenitore dei moderni apparati radar fu messo a punto nel 1925 per studiare alcune regioni dell’atmosfera, che in quegli anni catalizzava l’attenzione di scienziati ed ingegneri.

L’epoca pionieristica

L’esistenza di strati conduttivi in alta atmosfera (sopra i 50 km di quota) era stata intuita già dal genio di Carl Friedrich Gauss nel 1839 con ipotesi riprese poi da Arthur Kennelly ed Oliver Heaviside, intorno al 1901–2, proprio all’indomani del famoso collegamento transatlantico di Guglielmo Marconi. Era il 12 dicembre 1901 quando Marconi riuscì a trasmettere segnali Morse dalla Cornovaglia (Inghilterra) al Canada, su una distanza di oltre 3000 km, superando la evidente curvatura della Terra, senza tuttavia conoscere il meccanismo che gli aveva consentito quel risultato.

Si fece strada allora l’ipotesi dell’esistenza di una zona dell’atmosfera in grado di cambiare la direzione di propagazione delle onde elettromagnetiche, consentendo loro di raggiungere luoghi oltre la curvatura terrestre. Occorreva però una prova certa e riproducibile dell’esistenza di tali strati riflettenti (che si scopri’ poi essere strati dell’atmosfera ionizzati). I primi esperimenti in tal senso furono realizzati subito dopo da Appleton, ma solo negli anni tra il 1925 ed il 1926, gli americani Gregory Breit e Merle Tuve misero a punto una tecnica migliore per determinare l’altezza delle eventuali regioni riflettenti presenti in quota.

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Gregory Breit (a sinistra) e Merle Tuve accanto alla loro ionosonda ad impulsi al Dipartimento di Magnetismo Terrestre, Carnegie Institution, Washington (USA), 1927 (courtesy of Carnegie Institution of Washington, Department of Terrestrial Magnetism Archives
Washington, DC).

I due scienziati americani costruirono un apparato che emetteva brevi impulsi di energia elettromagnetica verso la verticale, ricevendo echi che evidenziarono la presenza di uno strato riflettente a circa 100 km di quota. Esso sarebbe stato, di lì a poco, identificato con il nome di strato E; successivamente furono individuate altre regioni ionizzate, che presero il nome di strato D, F1 e F2. L’insieme di di questi strati ionizzati costituisce la ionosfera (il nome deriva dal fatto che in questa regione dell’atmosfera sono presenti ioni. Per sapere di più sulla ionosfera puoi guardare questo post). Si notò poi che le caratteristiche degli strati variavano tra il giorno e la notte e da una stagione all’altra.

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Schema di principio delle regioni ionizzate della ionosfera.

Fu così che iniziò un’era sperimentale destinata a fare luce sulle caratteristiche della ionosfera, gettando le basi di uno strumento, il RADAR, che avrebbe fatto parlare di sé in campo scientifico ed in molti campi applicativi, fino ai nostri giorni. Il nuovo strumento, inventato per verificare l’esistenza di strati riflettenti, fu chiamato ionosonda; il suo principio di funzionamento è identico a quello del radar, trattandosi, in entrambi i casi, di emettere energia verso un bersaglio e ricavare informazioni sulla posizione rilevando il tempo impiegato dall’eco per giungere al bersaglio, conoscendo la velocità di propagazione.

Negli anni successivi al 1926 gli esperimenti continuarono portando gli scienziati dell’epoca, da una parte a iniziare lo studio sistematico della ionosfera terrestre e dall’altra a cercare continui miglioramenti degli strumenti.

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A sinistra: trasmettitore della prima ionosonda a Slough (UK), 1931 (courtesy of Rutherford Appleton Lab). Al centro: Ionosonda compatta, 1940 (courtesy Carnegie Ins. of Washington, Dep. Terrestrial Mag. Archives, Washington DC); a destra: Ionosonda ai primo degli anni ’70 (courtesy of Indian Inst. of Astrophysics, Karamangala, Benaluru, India).

Lo studio della ionosfera e dei gas ionizzati di cui è composta è fondamentale per una migliore conoscenza scientifica dell’ambiente in cui vive ed opera l’uomo ma anche per scopi applicativi come quelli che si hanno nel campo delle comunicazioni radio e nella navigazione satellitare. La ionosfera, infatti, agisce al tempo stesso come riflettore per comunicazioni HF a lunga distanza, oltre la linea di vista, e come elemento interposto tra noi e la costellazione di satelliti GNSS (come il GPS, per esempio) rendendo disturbata o addirittura impossibile la ricezione dei segnali satellitari.

Come funziona una ionosonda?

Le ionosonde di oggi, pur applicando ancora i principi dei primi modelli, fanno uso di tecnologie moderne: amplificatori portatili a stato solido hanno preso il posto di enormi amplificatori a valvole, complessi circuiti sono stati sostituiti da dispositivi elettronici miniaturizzati e programmabili per sincronizzare trasmettitore e ricevitore. I dati in uscita, inizialmente impressi su pellicola da sviluppare, sono poi stati stampati su carta ed in tempi più recenti memorizzati su supporti elettronici.

Volendo entrare un po’ più nel dettaglio sul funzionamento di una ionosonda che effettua sondaggi ionosferici verticali si può fare riferimento allo schema a blocchi riportato qui sotto a sinistra. Vengono emessi verso l’alto impulsi di radio onde di frequenza opportuna compresa tra circa 1 e 20 MHz. Per investigare tutte le regioni riflettenti la frequenza delle radio onde viene poi variata. Il ricevitore provvede ad amplificare e filtrare i segnali captati e ad inviarli al sistema di analisi.

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A sinistra: schema a blocchi di una ionosonda. A destra: una tipica disposizione delle antenne (il traliccio è alto 25 m).

Infine, per emettere gli impulsi trasmessi, e successivamente captare i loro echi, deve essere predisposto un sistema di antenne opportune; esse hanno una struttura molto diversa da quella che normalmente viene usata dai radar a causa delle caratteristiche delle radio onde impiegate.

L’attività della ionosonda produce dei grafici chiamati ionogrammi; essi possono essere considerati la fotografia dello stato della ionosfera ad un certo istante di tempo. Dall’esame di uno ionogramma si possono evidenziare le stratificazioni ionosferiche (strati E, F1 e F2).

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A sinistra: ionogramma generato da una ionosonda. A destra, stesso ionogramma, completato evidenziando i parametri ionosferici.

Sono poi possibili ulteriori elaborazioni, che hanno lo scopo di determinare l’andamento della densità elettronica (numero di elettroni liberi per unità di volume) al variare della quota. In tal modo è possibile anche determinare l’altezza reale dei vari strati (diversa da quella virtuale che appare sugli ionogrammi). 

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Ionosonda AIS-INGV progettata all’Istituto Nazionale
di Geofisica e Vulcanologia in una versione del 2010.

L’INGV è, oggi, l’unico ente italiano ad eseguire regolarmente il monitoraggio ionosferico gestendo varie ionosonde in tutto il mondo sia nei suoi osservatori italiani di Roma e Gibilmanna (PA), che negli osservatori argentini di Bahia Blanca e di San Miguel de Tucuman. Quest’ ultimo particolarmente importanti perché sito a bassa latitudine non lontano dall’equatore magnetico dove la ionosfera presenta caratteristiche uniche.

La grandissima mole di dati acquisita nel corso degli anni consente all’INGV di essere all’avanguardia nel monitoraggio ionosferico in banda HF condividendo i suoi dati in tempo reale, producendo gli annuari delle misure ionosferiche e producendo tavole di previsione ionosferica bimestrali per radiocomunicazioni nell’area del Mediterraneo a beneficio di utenti come le Forze Armate ed il Ministero degli Interni.