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Propagazione e previsioni con software , perchè con valori smoothed
Tutti i programmi per computers finalizzati alla elaborazione di grafici di previsione a lungo termine della propagazione ionosferica in HF e che usano il motore di calcolo del VOACAP richiedono che venga inserito il valore SSN (Smoothed Sunspot Number) relativo al mese di interesse, o il corrispondente valore smoothed del flusso solare sui 2800 Mhz.
Come è noto , il valore smoothed si ottiene facendo la media dei valori medi mensili relativi ai 6 mesi precedenti e ai 6 mesi successivi a quello di interesse, oltre al valore relativo a quest'ultimo. Nel calcolare la media, ai due mesi estremi si applica un fattore 0,5.
Questo significa che i risultati ottenuti con il software sono riferiti al lasso di tempo di un mese, e non ad un giorno particolare del mese. In pratica, se il software ci dice che per aprile l'intensità del segnale su una determinata tratta radio sarà pari ad S7, significa che per metà dei giorni di aprile l'effettiva intensità dei segnali sarà maggiore di S7 e per l'altra metà dei giorni del mese sarà inferiore a S7. In pratica, i risultati ottenuti con il software sono valori medi mensili , sono di natura statistica su un lasso di tempo di un mese.
Ma perché si considera il valore smoothed relativo al mese di interesse e non, per esempio, il valore giornaliero o quello di una data ora del giorno ? E perché i modelli di previsione sono basati sui valori medi di un mese ?
Il modello della ionosfera utilizzato per scopi di previsione deriva da decenni di misurazioni del numero di macchie solari e del flusso solare sui 2800 Mhz. Contemporaneamente alla misurazione di tali indici di attività solare, negli anni si sono portate avanti anche le misurazioni di particolari parametri ionosferici (frequenze critiche , altezze delle densità elettroniche di picco etc) mediante l'uso delle ionosonde sparse su tutto il globo terrestre. Si è quindi cercato di determinare la migliore correlazione tra ciò che il Sole fa in un determinato periodo (sunspot number , flusso solare) e ciò che fa invece la ionosfera nello stesso periodo di tempo considerato.
Ebbene, a seguito di numerosi studi in proposito, si è visto che la migliore correlazione tra attività solare e condizioni ionosferiche si ottiene prendendo come periodo di tempo di riferimento proprio il mese, esattamente tra il valore smoothed del numero di macchie solari (SSN) , o il suo corrispondente flusso solare a 2800MHz, e il valore medio mensile dei parametri ionosferici.
Si è, invece, visto che è pessima la correlazione tra il numero giornaliero di macchie solari (o del flusso solare a 2800 Mhz) e quello che la ionosfera sta facendo in quel determinato giorno.
Una prova di ciò si può ottenere andando a pescare dal database dei valori misurati dei parametri ionosferici da una delle tante ionosonde sparse sulla Terra relativi ad un intero mese e andandoli poi a diagrammare con i valori giornalieri del numero di macchie solari relativi allo stesso mese. E' bene scegliere un mese durante il quale l'indice geomagnetico planetario Ap si è mantenuto basso, oppure considerare nel diagramma solo i giorni del mese in cui tale indice era basso. Questo per evitare la variabile attività geomagnetica, pure essa fortemente influente sul comportamento della ionosfera.
Nel suo articolo pubblicato su WorldRadio di agosto 2004, K9LA Carl Luetzelschwab, ha utilizzato a questo scopo i dati provenienti dalla ionosonda di Millstone Hill (Westford, Massachusetts) relativi al mese di dicembre 2003, nonché i valori giornalieri del flusso solare a 2800 Mhz scaricabili dal sito Space Weather Canada. Nel diagramma ciascun punto è caratterizzato da un valore giornaliero del flusso solare (asse x) e da un valore giornaliero della foF2 (frequenza critica strato F2, asse y). Nel diagramma è stata poi aggiunta la curva di regressione lineare per determinare la correlazione tra i valori suddetti. L'indice di correlazione è indicato con R^2
Come si nota, i vari punti sono assai sparpagliati rispetto alla curva di regressione lineare. Infatti , l'indice di correlazione è basso, appena 0,01 circa. Cosa significa questo ? Che non c'è una corrispondenza tra valori giornalieri del flusso solare a 2800 Mhz , misurati a Penticton, e valori giornalieri delle frequenze critiche foF2, misurate dalla ionosonda di Millstone Hill. Infatti, se considero ad esempio un valore giornaliero di flusso solare pari a 125 circa, noto dal diagramma che in corrispondenza a tale valore di flusso solare la ionosonda di Millstone Hill ha misurato tre diversi valori giornalieri della frequenza critica (7,5 Mhz, 8,6 Mhz e 9,2 Mhz) !
In altre parole, il valore giornaliero di oggi del flusso solare non ci consente di prevedere bene cosa sta facendo oggi la ionosfera !
Se, quindi, si basasse una previsione di condizioni ionosferiche sui valori giornalieri del flusso solare ( o del numero di macchie solari) il rischio di sbagliare sarebbe altissimo, praticamente coincidente con la certezza di sbagliare.
Cosa succede se al posto di considerare i valori giornalieri degli indici di attività solare, si prendono in considerazione quelli smoothed ? Ripetiamo, cioè, lo stesso procedimento di prima ma diagrammando i valori smoothed del flusso solare e i valori medi mensili del parametro ionosferico considerato. Stavolta considero la MUF3000 , ossia la massima frequenza utilizzabile su percorso di 3000 km . Essa si ottiene sempre dalle misurazioni con ionosonda della frequenza critica strato F2. Osservo il diagramma costruito da K9LA e presentato alla Northwest DX Convention di Vancouver nel 2006. I dati ionosferici riportati nel diagramma provengono stavolta dalla ionosonda di Canberra , Australia.
Noto come stavolta i vari punti siano tutti vicini alla curva di regressione lineare. Infatti l'indice di correlazione ora è pari a 0,86 (un indici pari a 1 significherebbe che tutti i punti giacciono sulla curva di regressione lineare).
Questo, dunque, è il motivo per il quale il modello di ionosfera considerato nei vari software finalizzati ad elaborare previsioni di propagazione è un modello medio mensile. I risultati ottenuti, cioè, sono statistici su una base temporale di un mese. Considerata l'alta correlazione , sopra evidenziata, tra i valori smoothed degli indici di attività solare e i valori medi mensili delle MUF, si può , inoltre, dire che i risultati ottenuti con tali software sono attendibili.
Naturalmente, considerata la base temporale necessaria perché la correlazione sia buona, le previsioni possibili con i suddetti software non possono che essere a medio-lungo termine.
Ma ora un'altra domanda meriterebbe una risposta: perché lo strato F2, a cui si riferiscono i parametri ionosferici visti nei suddetti diagrammi, risulta così variabile da un giorno all'altro, tanto da non poter dire nulla, o quasi, delle sue condizioni attuali sulla sola base dei valori attuali degli indici di attività solare ?
Noi radioamatori siamo abituati a sentire parlare solo di attività solare e sua influenza sulla propagazione ionosferica. In realtà, ci sono diversi fattori che causano la variabilità dello strato F della ionosfera, quello più caro per il DX. Oltre alla radiazione ionizzante proveniente dal Sole (di cui gli indici Sunspot Number e Solar Flux sono solo degli indicatori) ci sono l'attività geomagnetica terrestre (di cui sono indicatori gli indici geomagnetici K e A) e l'atmosfera non ionizzata (processi che avvengono nella bassa atmosfera).
Può risultare sorprendente venire a conoscenza di quanto hanno messo in evidenza H. Rishbeth and M. Mendillo del Center for Space Physics at Boston University nel loro studio “Patterns of F2-layer variability” pubblicato nel Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics (Volume 63, 2001, pp 1661-1680). Gli autori hanno analizzato 34 anni (1957-1990) di dati relativi alla frequenza critica foF2 ottenuti dal database ionosferico NGDC/WDC-A e provenienti da 13 ionosonde sparse sulla Terra. Ordinando i dati in base all'orario, alla stagione, al periodo del ciclo solare, all'attività geomagnetica e così via, sono alla fine riusciti a determinare le percentuali di variabilità da un giorno all'altro dello strato F2 attribuibili alle tre categorie di fattori viste sopra.
Ebbene, tali percentuali sono risultate le seguenti:
a) variabilità giornaliera attribuibile all'attività solare: 3 % circa !
b) variabilità giornaliera attribuibile all'attività geomagnetica: 13% circa !
c) variabilità giornaliera attribuibile alla atmosfera non ionizzata: 15 % !
Ancora una volta, risulta confermata la scarsa correlazione tra indici giornalieri di attività solare e condizioni ionosferiche dello strato F2, contribuendo solo per il 3% l'attività solare alla variabilità giornaliera dello strato F2.
Ultima domanda: si riusciranno mai a fare previsioni in real-time di propagazione ionosferica ?
Lascio rispondere K9LA, così come ha fatto a chiusura del suo articolo “The Day-to-Day Variability of the Ionosphere”:
“Anche se abbiamo una buona conoscenza nel campo delle radiazioni ionizzanti solari e stiamo facendo passi avanti nel campo del vento solare / attività geomagnetica / elettrodinamica, c'è ancora molto da fare nel campo dell'atmosfera non ionizzata. Con i modelli fisici della ionosfera in fase di sviluppo e la potenza di calcolo sempre più grande, questo potrebbe accadere un giorno in futuro.”
Molto di questo articolo è tratto da:
“The Day-to-day Variability of the Ionosphere” di K9LA, Carl Luetzelschwab – WorlRadio agosto 2004;
“Correlation between MUF and Solar Flux” di K9LA , Northwest DX Convention Vancouver, BC 2006
“Patterns of F2-layer variability” di H. Rishbeth and M. Mendillo del Center for Space Physics at Boston University , Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics (Volume 63, 2001, pp 1661-1680)
Come è noto , il valore smoothed si ottiene facendo la media dei valori medi mensili relativi ai 6 mesi precedenti e ai 6 mesi successivi a quello di interesse, oltre al valore relativo a quest'ultimo. Nel calcolare la media, ai due mesi estremi si applica un fattore 0,5.
Questo significa che i risultati ottenuti con il software sono riferiti al lasso di tempo di un mese, e non ad un giorno particolare del mese. In pratica, se il software ci dice che per aprile l'intensità del segnale su una determinata tratta radio sarà pari ad S7, significa che per metà dei giorni di aprile l'effettiva intensità dei segnali sarà maggiore di S7 e per l'altra metà dei giorni del mese sarà inferiore a S7. In pratica, i risultati ottenuti con il software sono valori medi mensili , sono di natura statistica su un lasso di tempo di un mese.
Ma perché si considera il valore smoothed relativo al mese di interesse e non, per esempio, il valore giornaliero o quello di una data ora del giorno ? E perché i modelli di previsione sono basati sui valori medi di un mese ?
Il modello della ionosfera utilizzato per scopi di previsione deriva da decenni di misurazioni del numero di macchie solari e del flusso solare sui 2800 Mhz. Contemporaneamente alla misurazione di tali indici di attività solare, negli anni si sono portate avanti anche le misurazioni di particolari parametri ionosferici (frequenze critiche , altezze delle densità elettroniche di picco etc) mediante l'uso delle ionosonde sparse su tutto il globo terrestre. Si è quindi cercato di determinare la migliore correlazione tra ciò che il Sole fa in un determinato periodo (sunspot number , flusso solare) e ciò che fa invece la ionosfera nello stesso periodo di tempo considerato.
Ebbene, a seguito di numerosi studi in proposito, si è visto che la migliore correlazione tra attività solare e condizioni ionosferiche si ottiene prendendo come periodo di tempo di riferimento proprio il mese, esattamente tra il valore smoothed del numero di macchie solari (SSN) , o il suo corrispondente flusso solare a 2800MHz, e il valore medio mensile dei parametri ionosferici.
Si è, invece, visto che è pessima la correlazione tra il numero giornaliero di macchie solari (o del flusso solare a 2800 Mhz) e quello che la ionosfera sta facendo in quel determinato giorno.
Una prova di ciò si può ottenere andando a pescare dal database dei valori misurati dei parametri ionosferici da una delle tante ionosonde sparse sulla Terra relativi ad un intero mese e andandoli poi a diagrammare con i valori giornalieri del numero di macchie solari relativi allo stesso mese. E' bene scegliere un mese durante il quale l'indice geomagnetico planetario Ap si è mantenuto basso, oppure considerare nel diagramma solo i giorni del mese in cui tale indice era basso. Questo per evitare la variabile attività geomagnetica, pure essa fortemente influente sul comportamento della ionosfera.
Nel suo articolo pubblicato su WorldRadio di agosto 2004, K9LA Carl Luetzelschwab, ha utilizzato a questo scopo i dati provenienti dalla ionosonda di Millstone Hill (Westford, Massachusetts) relativi al mese di dicembre 2003, nonché i valori giornalieri del flusso solare a 2800 Mhz scaricabili dal sito Space Weather Canada. Nel diagramma ciascun punto è caratterizzato da un valore giornaliero del flusso solare (asse x) e da un valore giornaliero della foF2 (frequenza critica strato F2, asse y). Nel diagramma è stata poi aggiunta la curva di regressione lineare per determinare la correlazione tra i valori suddetti. L'indice di correlazione è indicato con R^2
Come si nota, i vari punti sono assai sparpagliati rispetto alla curva di regressione lineare. Infatti , l'indice di correlazione è basso, appena 0,01 circa. Cosa significa questo ? Che non c'è una corrispondenza tra valori giornalieri del flusso solare a 2800 Mhz , misurati a Penticton, e valori giornalieri delle frequenze critiche foF2, misurate dalla ionosonda di Millstone Hill. Infatti, se considero ad esempio un valore giornaliero di flusso solare pari a 125 circa, noto dal diagramma che in corrispondenza a tale valore di flusso solare la ionosonda di Millstone Hill ha misurato tre diversi valori giornalieri della frequenza critica (7,5 Mhz, 8,6 Mhz e 9,2 Mhz) !
In altre parole, il valore giornaliero di oggi del flusso solare non ci consente di prevedere bene cosa sta facendo oggi la ionosfera !
Se, quindi, si basasse una previsione di condizioni ionosferiche sui valori giornalieri del flusso solare ( o del numero di macchie solari) il rischio di sbagliare sarebbe altissimo, praticamente coincidente con la certezza di sbagliare.
Cosa succede se al posto di considerare i valori giornalieri degli indici di attività solare, si prendono in considerazione quelli smoothed ? Ripetiamo, cioè, lo stesso procedimento di prima ma diagrammando i valori smoothed del flusso solare e i valori medi mensili del parametro ionosferico considerato. Stavolta considero la MUF3000 , ossia la massima frequenza utilizzabile su percorso di 3000 km . Essa si ottiene sempre dalle misurazioni con ionosonda della frequenza critica strato F2. Osservo il diagramma costruito da K9LA e presentato alla Northwest DX Convention di Vancouver nel 2006. I dati ionosferici riportati nel diagramma provengono stavolta dalla ionosonda di Canberra , Australia.
Noto come stavolta i vari punti siano tutti vicini alla curva di regressione lineare. Infatti l'indice di correlazione ora è pari a 0,86 (un indici pari a 1 significherebbe che tutti i punti giacciono sulla curva di regressione lineare).
Questo, dunque, è il motivo per il quale il modello di ionosfera considerato nei vari software finalizzati ad elaborare previsioni di propagazione è un modello medio mensile. I risultati ottenuti, cioè, sono statistici su una base temporale di un mese. Considerata l'alta correlazione , sopra evidenziata, tra i valori smoothed degli indici di attività solare e i valori medi mensili delle MUF, si può , inoltre, dire che i risultati ottenuti con tali software sono attendibili.
Naturalmente, considerata la base temporale necessaria perché la correlazione sia buona, le previsioni possibili con i suddetti software non possono che essere a medio-lungo termine.
Ma ora un'altra domanda meriterebbe una risposta: perché lo strato F2, a cui si riferiscono i parametri ionosferici visti nei suddetti diagrammi, risulta così variabile da un giorno all'altro, tanto da non poter dire nulla, o quasi, delle sue condizioni attuali sulla sola base dei valori attuali degli indici di attività solare ?
Noi radioamatori siamo abituati a sentire parlare solo di attività solare e sua influenza sulla propagazione ionosferica. In realtà, ci sono diversi fattori che causano la variabilità dello strato F della ionosfera, quello più caro per il DX. Oltre alla radiazione ionizzante proveniente dal Sole (di cui gli indici Sunspot Number e Solar Flux sono solo degli indicatori) ci sono l'attività geomagnetica terrestre (di cui sono indicatori gli indici geomagnetici K e A) e l'atmosfera non ionizzata (processi che avvengono nella bassa atmosfera).
Può risultare sorprendente venire a conoscenza di quanto hanno messo in evidenza H. Rishbeth and M. Mendillo del Center for Space Physics at Boston University nel loro studio “Patterns of F2-layer variability” pubblicato nel Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics (Volume 63, 2001, pp 1661-1680). Gli autori hanno analizzato 34 anni (1957-1990) di dati relativi alla frequenza critica foF2 ottenuti dal database ionosferico NGDC/WDC-A e provenienti da 13 ionosonde sparse sulla Terra. Ordinando i dati in base all'orario, alla stagione, al periodo del ciclo solare, all'attività geomagnetica e così via, sono alla fine riusciti a determinare le percentuali di variabilità da un giorno all'altro dello strato F2 attribuibili alle tre categorie di fattori viste sopra.
Ebbene, tali percentuali sono risultate le seguenti:
a) variabilità giornaliera attribuibile all'attività solare: 3 % circa !
b) variabilità giornaliera attribuibile all'attività geomagnetica: 13% circa !
c) variabilità giornaliera attribuibile alla atmosfera non ionizzata: 15 % !
Ancora una volta, risulta confermata la scarsa correlazione tra indici giornalieri di attività solare e condizioni ionosferiche dello strato F2, contribuendo solo per il 3% l'attività solare alla variabilità giornaliera dello strato F2.
Ultima domanda: si riusciranno mai a fare previsioni in real-time di propagazione ionosferica ?
Lascio rispondere K9LA, così come ha fatto a chiusura del suo articolo “The Day-to-Day Variability of the Ionosphere”:
“Anche se abbiamo una buona conoscenza nel campo delle radiazioni ionizzanti solari e stiamo facendo passi avanti nel campo del vento solare / attività geomagnetica / elettrodinamica, c'è ancora molto da fare nel campo dell'atmosfera non ionizzata. Con i modelli fisici della ionosfera in fase di sviluppo e la potenza di calcolo sempre più grande, questo potrebbe accadere un giorno in futuro.”
Molto di questo articolo è tratto da:
“The Day-to-day Variability of the Ionosphere” di K9LA, Carl Luetzelschwab – WorlRadio agosto 2004;
“Correlation between MUF and Solar Flux” di K9LA , Northwest DX Convention Vancouver, BC 2006
“Patterns of F2-layer variability” di H. Rishbeth and M. Mendillo del Center for Space Physics at Boston University , Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics (Volume 63, 2001, pp 1661-1680)
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