I+D en las universidades españolas sobre radio-ionosférica

La ionosfera es una región de la atmósfera comprendida entre los 50 km y unos 1.000 km de altura que se caracteriza por estar formada principalmente por un plasma ligeramente ionizado debido, fundamentalmente, a la radiación electromagnética proveniente del Sol.

La cantidad de energía solar que incide en la Tierra varía según la latitud, siendo menor en los Polos y mayor en la línea del Ecuador. También depende del ‘tiempo local’, de modo que en el lado nocturno de la Tierra la densidad electrónica de la ionosfera es mucho menor que en la zona diurna. Teniendo en cuenta la latitud y el tiempo local, la mayor concentración de electrones se produce en la zona ecuatorial entre el mediodía y las dos de la tarde.

Dicha estructura de alta concentración electrónica presenta una anomalía llamada ‘Anomalía Ionosférica Ecuatorial’ (AIE), resultante del efecto combinado del campo magnético terrestre, los vientos de la alta atmósfera y la gravedad terrestre que genera dos crestas de concentración de electrones al norte y sur del Ecuador geomagnético y aparece como la zona de color rojo más intenso en la Fig. 1.

Las moléculas ionizadas liberan electrones en la atmósfera cuya presencia se puede detectar por la influencia que tiene sobre las ondas electromagnéticas en el ancho de banda de radio (desde MHz hasta varios GHz). Todas las telecomunicaciones que utilizan ese espectro de frecuencias se ven afectadas cuando atraviesan la ionosfera, siendo el impacto mucho mayor cuando nos encontramos cerca de la AIE.

España es una de las zonas europeas donde mayor impacto puede tener la Anomalía Ionosférica Ecuatorial. De ahí el interés en conocer las propiedades de la ionosfera y sus efectos en las telecomunicaciones

Otro importante ejemplo de la influencia de la ionosfera es su efecto en los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS, por sus siglas en inglés) como GPS y sus homólogos europeo (GALILEO), ruso (GLONASS) y chino (BEIDOU). Si no se tuviese en cuenta dicho efecto en los algoritmos que calculan la posición de nuestros teléfonos móviles y vehículos, el error sería el doble del habitual, es decir, unos 11 metros en vez de los habituales 5-6 metros (en zonas como Europa y USA).

El estado de la ionosfera depende de la radiación solar y, en última instancia, del estado del Sol. Además, como los iones y electrones son sensibles a la interacción magnética, el estado del campo magnético terrestre también influye en la ionosfera. Nos podemos referir al conjunto de interacciones entre la ionosfera, el Sol y el campo geomagnético y de sus efectos en la parte alta de la atmósfera como ‘meteorología espacial. La actividad de la meteorología espacial afecta a muchos tipos de sistemas electrónicos. Además de los ya mencionados anteriormente, otros ejemplos se muestran en la figura 2 que acompaña este texto.

Nuestro país cuenta con diversos grupos de investigación que han aportado (y siguen aportando) importantes avances a nivel internacional para entender mejor las propiedades de la ionosfera y sus efectos en la sociedad

El Impacto de la Ionosfera en la Sociedad

El efecto que la ionosfera tiene sobre las señales de los GNSS es un perjuicio (entre otras cosas, por esos 11 metros anteriormente mencionados) y también, aunque parezca una contradicción, un beneficio. Midiendo el efecto de la ionosfera sobre las señales GNSS, podemos estimar la cantidad y distribución espaciotemporal de electrones.

Debido a la gran cantidad de satélites de GNSS (unos 150 en total) y de receptores repartidos mundialmente, es posible sondear la ionosfera de manera continua y global. Con anterioridad a los GNSS, se utilizaban (y se siguen utilizando) sondeos locales mediante ‘ionosondas’. Debido a la presencia de iones, la ionosfera puede reflejar señales de determinadas frecuencias (como si de un espejo se tratase).

Las ionosondas utilizan esta propiedad de la ionosfera para medir a partir de qué frecuencia la señal ya no se refleja. De dicha frecuencia  se puede estimar luego la densidad electrónica, ya que ambas están relacionadas. Sin embargo, a diferencia de las medidas con GNSS, las ionosondas no tienen cobertura mundial ni continua.

España es uno de los países europeos más meridionales, por lo que es una de las zonas europeas donde mayor impacto puede tener la AIE. De ahí el interés en conocer las propiedades de la ionosfera y sus efectos en las telecomunicaciones.

La Ciencia de la Ionosfera en España

Nuestro país cuenta con diversos grupos de investigación que han aportado importantes avances a nivel internacional para entender mejor las propiedades de la ionosfera y sus efectos en la sociedad.

Las primeras contribuciones de grupos científicos en España datan del año 1904, cuando la Compañía de Jesús inauguró el Observatorio del Ebro (OE) para el estudio de las relaciones Sol-Tierra. El inicio de observaciones ionosféricas con técnicas de sondeo del OE se remonta al año 1955. En la actualidad, el OE es un centro adscrito a la Universidad Ramon Llull.

Uno de los temas más candentes en la actualidad es la detección de tsunamis mediante la observación del frente de ondas que se propaga, no solo en la superficie del océano, sino también a través de la ionosfera

Una de sus principales líneas de investigación es el estudio de la variabilidad del campo geomagnético y la ionosfera causada por la actividad solar o geomagnética, tanto a escala local como global. El OE contribuye activamente al desarrollo de los modelos de referencia internacional del campo geomagnético terrestre (IGRF, International Geomagnetic Reference Field, en el ámbito de la IAGA, International Association of Geomagnetism and Aeronomy) y de la ionosfera terrestre (IRI, International Reference Ionosphere, en el ámbito de la URSI, International Union of Radio Science, y COSPAR, Committee on Space Research).

También desarrolla modelos de los efectos de la meteorología espacial en determinados sistemas tecnológicos, así como herramientas para la detección y caracterización de irregularidades ionosféricas con la ambición de contribuir a la mitigación del efecto distorsionante que estas irregularidades causan a los sistemas basados en radio-comunicaciones. Algunos de estos productos están disponibles en el Servicio de Meteorología Ionosférica de la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés).

El Grupo de Astronomía y Geomática (GAGE) de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) trabaja, entre otros muchos proyectos, en desarrollar prototipos de corrección ionosférica para aumentar la precisión en el cálculo de la posición hasta unos pocos cm-dm con ayuda del servicio HAS desplegado para los usuarios de GALILEO a nivel continental.

Este tipo de investigación es un paso importante y necesario para el futuro desarrollo de una industria de la automoción basada en vehículos autónomos. GAGE cuenta con una activa participación en varios proyectos, no solo con la ESA sino también con la Agencia de la Unión Europea para el Programa Espacial (EUSPA, por sus siglas en inglés) en el que se desarrollan técnicas para mitigar la influencia de la ionosfera en algoritmos de posicionamiento por sistemas globales de satélites, así como en el desarrollo de modelos que monitorizan el estado de la ionosfera y su respuesta a la actividad solar.

También en la UPC, el grupo de investigación IonSAT (Grupo de determinación Ionosférica y navegación por SAtélite y sistemas Terrestres) contribuye al desarrollo científico y tecnológico en el campo de la ionosfera. Por ejemplo, ha desarrollado e implementado un método que detecta y avisa en tiempo real de la llegada de fulguraciones solares a la Tierra.

Las fulguraciones, mostradas en la figura 2, consisten en la erupción súbita de una gran cantidad de energía en forma de radiación electromagnética que afectan a la ionosfera y a las telecomunicaciones. Dicho modelo sirve para avisar a usuarios de servicios de posicionamiento por sistemas GNSS de una degradación del servicio.

Las fulguraciones solares suelen preceder a grandes cantidades de plasma y partículas de altas energías expulsadas desde la corona solar, conocidas como ‘eyección de masa coronal’ (CME, por sus siglas en inglés).

Las CME pueden afectar muy negativamente a satélites y telecomunicaciones, por lo que el desarrollo de técnicas de predicción y/o mitigación es de vital importancia para la sociedad civil y la industria aeroespacial. A modo de ejemplo, una CME que impactó la Tierra en febrero de 2022 fue la causante de la pérdida de 40 satélites comerciales de la compañía SpaceX.

En otro proyecto financiado por la ESA, UPC-IonSAT investiga la posible detección en la ionosfera de fulguraciones de altas energías emitidas desde otras estrellas.

En la Universidad Complutense de Madrid (UCM), el grupo de Ionosfera y Meteorología Espacial (IME) investiga los efectos de tormentas geomagnéticas sobre la ionosfera europea, así como las distribuciones irregulares de ‘burbujas’, grandes zonas en la ionosfera exentas de electrones que afectan a las comunicaciones satelitales.

Siendo la ionosfera parte de la atmósfera, también se ve afectada por fenómenos meteorológicos de la parte inferior de la atmósfera e incluso por fenómenos sísmicos y tsunamis. Tanto el IME como IonSAT cuentan con trabajos publicados y colaboraciones en proyectos internacionales sobre el estudio de dichos fenómenos mediante la observación de la ionosfera.

Uno de los temas más candentes en la actualidad es la detección de tsunamis mediante la observación del frente de ondas que se propaga, no solo en la superficie del océano, sino también, como se ha confirmado en años recientes, a través de la ionosfera. Dicha propagación en la ionosfera se puede medir y de ella inferir la dirección y velocidad del tsunami.

En la Universidad de Extremadura se encuentra el Grupo de Ciencias de la Tierra y del Espacio (Space & Earth Science Group), cuyo principal objetivo es proporcionar información acerca de la actividad solar a la comunidad científica para contribuir al estudio de la climatología espacial. También estudian la relación entre la variabilidad del Sol y de la ionosfera terrestre.

Estos ejemplos demuestran la activa participación española en el estudio de la ionosfera y sus aplicaciones en campos tan diversos como la industria del transporte, de la energía, de las telecomunicaciones y del espacio.