Se il radar costiero diventa ionosonda: gli strati della ionosfera esplorati come le onde degli oceani

Che cosa sono gli strani suoni "spazzolanti" che entrano nelle cuffie degli hobbysti impegnati a monitorare quel poco che resta dei trasmettitori broadcast attivi nei 60 metri? Sulla "cascata" tipica dei programmi di ricezione SDR appaiono con tanti segmenti sghembi lungo l'asse delle frequenze, occupano una larghezza di 25 kHz e pulsano con regolarità. Sono i segnali di un particolare sistema radar OTH (over the horizon) su frequenze HF utilizzato per studiare la dinamica delle onde oceaniche e delle correnti marine. Due i sistemi più utilizzati, Il CODAR, COastal RAdaR, dell'omonima società californiana e WERA, WavE RAdar, della società tedesca Helzel Messtechnik.

Tutto risale agli studi teorici che tra fine anni 60 e inizio anni 70 sono stati compiuti da Donald Barrick e colleghi presso la NOAA, l'agenzia oceanografica americana. Partendo da questi studi Barrick fondò la CODAR Ocean Sensors, l'azienda che ancora oggi guida le ricerche e la produzione commerciale di questi speciali radar costieri. La sua omologa europea, la Helzel, deriva la sua attività dal lavoro svolto a metà degli anni 90 da ricercatori dell'Università di Amburgo (la Helzel stessa è stata fondata da tecnici provenienti, tra gli altri, dai laboratori amburghesi della Philips che studiavano la risonanza magnetica nucleare). Il principio è quello del radar, ma il bersaglio non sono gli aerei bensì le onde del mare. Analizzando le caratteristiche dei segnali di "backscattering" su lunghezze d'onda decametriche, gli osservatori costieri (presenti soprattutto negli Stati Uniti, ma in realtà sempre più diffusi anche da questa parte dell'oceano) possono rendersi conto della struttura delle onde di superficie, della velocità di correnti e venti a decine di chilometri di distanza e convertire queste osservazioni in dati utili anche in fase predittiva. Per noi radio appassionati sono interferenze, ma sull'utilità in altra sede non ci piove, è il caso di dire. E' anche possibile che il riconoscimento da parte dell'ITU - che ha discusso di frequenze CODAR nel corso dell'ultima World Radio Conference - porti a una regolamentazione del fenomeno delle interferenze sulle frequenze broadcast. Il problema è molto sentito nella comunità radioamatoriale, perché spesso gli sweep dei radar costieri finiscono per invadere porzioni di spettro riservate (l'ultimo in ordine cronologico è un misterioso doppio sweep incrociato che disegna inquietanti lettere X nello spettro centrato sui 7 MHz). Subito dopo la prima pubblicazione di questo post lo IARUMS organo sovranazionale delle varie associazioni ham radio ha rilasciato un dettagliato compendio dei radar HF compilato da Wolf Hadel DK2OM.

La cosa interessante è che le caratteristiche di questi segnali e lo spettro di frequenze in cui ricadono hanno spinto un radioamatore americano, Pieter Ibelings N4IP, a utilizzare gli "sweep" del CODAR come ionosonda. In altre parole, utilizzando ricevitori SDR come l'SDR-IP o il NET-SDR della RFSpace, affiancati da un orologio atomico come riferimento temporale, Ibelings ha studiato la riflessione dei segnali CODAR dalla ionosfera, riuscendo brillantemente a ricostruirne gli strati e l'evoluzione della sua struttura nel corso del tempo. La sua pagina Web contiene alcune immagini molto significative e una sommaria spiegazione degli algoritmi utilizzati (il programma SDR utilizzato è SpectraVue).

Un nuovo indice di misurazione dell'attività ionosferica

Nell'ambito del progetto europeo Digital upper Atmosphere Server (DIAS) è stato sviluppato un nuovo indice dell'attività ioniosferica puramente basato sull'osservazione di alcuni valori forniti dalle ionosonde (tipicamente la frequenza f0 dello strato f2). L'indice, chiamato AI, mostra una forte dipendenza dalle condizioni geomagnetiche e rappresenta una novità rispetto agli indici tradizionalmente ricavati dalla misurazione dell'attività solare. Un recente articolo pubblicato su Annales Geophysicae, descrive alcuni aggiustamenti statistici dell'indice AI che riducono la variabilità rispetto a fattori stagionali. E' possibile che la conoscenza delle condizioni ionosferiche attraverso il nuovo indice possa fornire utili indicazioni sull'andamento della propagazione delle onde corte. Ecco l'abstract e le conclusioni dello studio.

A modified index for the description of the ionospheric short- and long-term activity

J. Mielich and J. Bremer

Leibniz-Institute of Atmospheric Physics at the Rostock University, 18225 Kühlungsborn, Schloss-Str. 6, Germany

Abstract. A modified ionospheric activity index AI has been developed on the basis of ionospheric foF2 observations. Such index can be helpful for an interested user to get information about the current state of the ionosphere. Using ionosonde data of the station Juliusruh (54.6° N; 13.4° E) this index has been tested for the time interval from January 1996 until December 2008. This index has no diurnal and seasonal variations, only a small positive dependence on the solar activity could be found. The variability of this index has, however, a marked seasonal variability with maxima during the equinoxes, a clear minimum in summer, and enhanced values in winter. The observed variability of AI is strongly correlated with the geomagnetic activity, most markedly during the equinoxes, whereas the influence of the solar activity is markedly smaller and mostly insignificant. Strong geomagnetic disturbances cause in middle latitudes in general negative disturbances in AI, mostly pronounced during equinoxes and summer and only partly during winter, thus in agreement with the current physical knowledge about ionospheric storms.

[...]

5. Conclusions and outlook

The main results can be concluded with the following points:

– A modified ionospheric index AI has been derived by use of a new reference value calculated by a regression analysis of the foF2 values of the preceding 27 days at the same hour as the current foF2 value.

– The new index has no distinct diurnal and seasonal variation. This is the necessary precondition for the creation of homogeneous AI data series.

– AI data can be estimated for other stations, other time intervals, or other ionosonde parameters (e.g. M(3000)F2) without any problems.

– Monthly median and yearly mean values of AI do not depend on geomagnetic activity but depend on the solar activity level. However, the solar influence on the AI values is only small (not more than about ±1%).

– The variability of the AI values significantly depends on the geomagnetic activity, most clearly during equinoxes but also significant during summer and winter.

– Ionospheric storms in mid-latitudes are characterized during summer and equinox conditions by markedly reduced AI values. During winter the mean negative response is markedly smaller. These results are in general agreement with current storm theories.

Over the Horizon Radar, le onde corte come sensori

Tra le applicazioni più interessanti - e sicuramente non obsolete - delle radioemissioni in alte frequenze (HF) c'è tutta la problematica del rilevamento radar a distanze superiori rispetto all'orizzonte ottico e dello studio della ionosfera e della propagazione con tecniche di "sounding". Le onde corte in questo caso non servono per comunicare tra due punti: tutto si basa sulla "autoricezione" di un segnale che parte da un punto A e ritorna al punto A sottoforma di eco. La natura e l'intensità di questa eco fornisce delle informazioni sull'oggetto (per esempio un aereo nel caso del radar) o un fenomeno fisico (per esempio uno strato ionosferico).

Lo spunto per queste brevi riflessioni viene dall'immagine di un spettrogramma catturato da un ricevitore SDR (l'SDR-IQ della RFSpace) nelle frequenze della banda radioamatoriale dei 20 metri. Tra le righe verticali corrispondenti ai vari segnali ricevuti nel corso del tempo con il software SpectraVue, si distingue un sottile tratto sghembo in orizzontale. Un frequentatore della mailing list UDXF, dedicata al monitoraggio dei segnali non broadcast civili o militari che siano, si chiede se questa traccia provenga da un radar "over the orizon" o se viceversa si tratti del tipico segnale di una ionosonda, lanciato per analizzarne l'eco su un'ampia finestra di frequenze. In questo caso la risposta giusta è la seconda: la riga che si può vedere è il "chirping" il cinguettio di una ionosonda, che secondo un altro iscritto a UDXF ha un andamento di 100 kHz al secondo tra 2 e 30 MHz (in 280 secondi il segnale passa da 2 a 30 MHz). Un approfondimento sui "chirp sounder" ionosferici e la strumentazione per ricerli si trova su questa pagina del ricchissimo sito di Brooke Clarke. In essa trovate i dettagli anche storici dei "chirp sounder receivers" creati per il monitoraggio di questi segnali. Altri dettagli aggiornati si trovano per esempio sul sito della TCI, un fornitore di apparati di avionica e SIGINT. Va da sé che oggi applicazioni HF di questo tipo si studiano anche con il software del DSP.
Insieme ai segnali delle radiosonde nello spettro delle onde corte - che oltre alle antenne del progetto HAARP comprendono anche quelle dell'analogo esperimento SuperDARN (Super Dual Auroral Radar Network della Johns Hopkins University) si possono ancora ascoltare le "spazzolate" di diversi impianti radar over the orizon in funzione in diverse località del mondo. In chi ascolta emittenti broadcast da lunga data il ricordo va subito alla anni della guerra fredda quando i sovietici avevano inserito nei loro sistemi di sorveglianza antimissilistica dei radar HF come il celeberrimo "woodpecker", il picchio (un nomignolo causato dal suo caratteristico suono martellante). Sul sito "Englishrussia.com" si trovano spettacolari immagini delle antenne del radar OTH attivo una trentina d'anni fa nei pressi di Chernobyl Ma se oggi volessimo ascoltare uno di questi radar non dovremmo fare molta strada. Ce n'è uno in Francia, a Dreux, gestito da ONERA, una compagnia aerospaziale, e chiamato nientepopodimeno che Radar Nostradamus. Anche a Jindalee, in Australia, esiste un analogo trasmettitore. Altri radar OTH sono attivi nella base britannica di Akrotiri, a Cipro, ma ne vengono segnalati anche in Cina (il "firedragon"), o in Spagna, in Iran. I più interessati a monitorarne le attività sono proprio i radioamatori, le cui bande risultano a volte pesantemente interferite.
Una terza categoria di radar HF con emissioni ad ampio spettro ("sweeper") è quella utilizzata per i rilevamenti oceanografici. Il sito Web di CODAR, una società specializzata in apparecchiature destinate a questa classe di ricerche, contiene anche una breve scheda con la storia delle sonde HF costiere utilizzate per misurare l'andamento delle correnti marine e del moto ondoso. I primi a sperimentare questa tecnologia sono stati il DARPA e la NOAA, con la collaborazione della Stanford University e dello Scripps Institution of Oceanography di San Diego. Questa è la scheda di un recente manuale dell'editore Springer, Land-Based Over-the-Horizon Radar Techniques for Monitoring the North-East Atlantic Coastal Zone.
Incuriositi da queste notizie? La newsletter dallo IARU, l'associazione internazionale dei radioamatori, ha raccolto una breve antologia di campioni audio dei maggiori radard over the horizon, la trovate su questa pagina. Ma persino una band elettronica scozzese, i Board of Canada, si sono fatti prendere dalla suggestione dell'argomento e nel 2002 hanno pubblicato un album intitolato Over the Horizon Radar.

Ecco invece qui di seguito tre videate appena confezionate con Perseus da Fabrizio Magrone. Le prime due sono radar OTH (uno intersecato da una ionosonda), la terza contiene il tracciato di un'altra ionosonda: