Si la Tierra tuviera el tamaño de una manzana de unos 8 centímetros de diámetro, entonces, buena parte de la atmósfera terrestre, esa envolvente gaseosa que rodea la Tierra, sería un cascarón esférico de un centímetro de grosor. Este incluiría la tropósfera, la estratósfera, la mesósfera y la termósfera, pero no la magnetósfera. La tropósfera, donde ocurre la mayoría de los fenómenos meteorológicos, sería del espesor de la cáscara de la manzana. Las otras tres “esferas” juntas tendrían el espesor del resto del centímetro.

Estas regiones de la atmósfera no están separadas por límites bien definidos. Son sus propiedades las que van cambiando de a poco a medida que nos alejamos de la superficie de la tierra (o mar donde corresponda). Es en la termósfera donde el aire contiene relativamente pequeñas cantidades de iones y electrones libres, además de átomos y moléculas neutros.  Esta parte de la termósfera que contiene partículas cargadas se denomina ionósfera. Sin embargo, la termósfera sigue siendo eléctricamente neutra porque normalmente contiene igual número de iones positivos que electrones más algunos iones negativos. El comportamiento de la ionósfera no sólo depende de las fuerzas que actúan sobre átomos y moléculas neutras, como lo es en las otras “esferas”, sino que también dependa de fuerzas eléctricas y magnéticas, incluidas las ejercidas por el campo geomagnético, cuyo origen está en el interior de la tierra. Es por ello que su comportamiento es del todo especial. La ionosfera fue “inventada primero y descubierta después”, según palabras de Sir Edward Appleton (premio Nóbel de Física,1947).

Su invención era necesaria para explicar, por una parte, la ocurrencia de las Auroras Boreales y Australes, esas manifestaciones luminosas nocturnas espectaculares que se habían visto en cielos despejados de las regiones polares desde tiempos inmemoriales. También, para explicar las pequeñas oscilaciones regulares (diurnas y estacionales) y episódicas (minutos a horas) de las agujas de brújulas horizontales y verticales (Balfour Stewart, 1860s). Y finalmente, para explicar el fenómeno de radio propagación a grandes distancias (Gugliemo Marconi, Oliver Heaviside, Edward Kennelly, and William Eccles,1901 – 1924).

La existencia de la ionósfera fue demostrada experimentalmente en las primeras horas del 12 de diciembre de 1924 por Sir Edward Appleton y su alumno de posgrado Miles Barnett, en un laboratorio de la Universidad de Oxford. Se tuvo que esperar que la estación de radio 6BM de la BBC en Bournemouth, a 123 km de Oxford, terminara sus trasmisiones en 0.75 MHz a medianoche del 11 de diciembre para que el operador, debidamente instruido, cambiara lentamente la frecuencia de la transmisión. La recepción de las señales de esa transmisión en Oxford mostró las inequívocas variaciones de intensidad correspondientes a la interferencia de las partes de las ondas de radio que llegaban por caminos diferentes. Uno directo entre Bournemouth y Oxford, y el otro por reflexión en la atmósfera desde unos 100 km de altura.

La ionósfera juega el doble papel de héroe y villano en las radios comunicaciones globales, sistemas de navegación y de posicionamiento, sean civiles o militares, hasta el día de hoy, especialmente en las zonas polares. Sus propiedades de refracción, reflexión, absorción y dispersión de ondas radioeléctricas cambian más o menos regularmente con la hora del día, la estación del año, la época del ciclo solar de 11 años y, probablemente, a mayor plazo, para un lugar determinado. También cambian más o menos sistemáticamente con la latitud y la longitud del lugar considerado. Además, cambian irregular y episódicamente con frecuencia. Por ello, es tan importante poder estimar sus efectos con antelación: desde horas hasta años. En este esfuerzo no solo se avanza en la mejor comprensión de los fenómenos asociados sino también en el diseño de sistemas de radio comunicación, navegación y posicionamiento.

Las observaciones ionosféricas en Chile se inician con la instalación de un radar de alta frecuencia e incidencia vertical en la primavera de 1957, en instalaciones de la Universidad de Concepción. El objetivo era contar con observaciones ionosféricas lo más al sur posible en nuestro Continente, de manera de contribuir a las actividades del Año Geofísico Internacional.

Estación ionosférica en fundo Bellavista de la Universidad de Concepción.

En 1986 la Universidad también estuvo presente en las observaciones ionosféricas instalando un radar similar, en la Isla Rey Jorge, Antártica, que operó casi sin interrupciones hasta 1992.

Estación ionosférica Chilena en Isla Rey Jorge, Antártica

Pero desde el 18 junio de 2012 a las 14:45 horas, es la Universidad Adventista de Chile la que opera el radar y contribuye a la investigación ionosférica bajo la firma de un convenio entre UdeC y UnACh. Esta estación ionosférica desde el 2022 está bajo la responsabilidad de su Centro de instrumentación Científica (CInC). Es el referente chileno en Sudamérica, en ambos aspectos, ya que es el único centro del país dedicado a estas disciplinas.

Ceremonia de inauguración de la Estación Ionosférica J3P, en el campus Las Mariposas de la U. Adventista de Chile (UNACH) en Chillán,el 27 de Noviembre del 2013

En particular, el CInC obtuvo registros ionosféricos para conmemorar del centenario del descubrimiento de la ionosfera en la noche del 11 al 12 de diciembre de 2024. Las figuras reproducidas mas abajo corresponden a las observaciones hechas a las 00:05, 01:00 y 02:00 horas, Tiempo Universal del 12 (día 347 de 2024; 19:05, 20:00 y 21:00 del 11 en Tiempo Local), marcando justamente los 100 años desde las observaciones de Appleton y Barnett. También se muestran las correspondientes a las 05:00, 06:00 y 07:00 horas, Tiempo Universal, que marcan lo que correspondería a lo observado en Oxford, si se toma en cuenta los cambios debidos a la variación diurna, vista la diferencia horaria entre Oxford y Chillán. Es importante señalar que las observaciones de Oxford mostrarían registros a la izquierda del eje vertical izquierdo de las figuras, porque corresponden a una frecuencia de 0.75 MHz, mientras que las de Chillán parten desde 1.00 MHz.

Ionogramas medidos desde el CInC a los 100 años del primer sondeo ionosférico

En el plano internacional, la comunidad científica internacional celebrará este centenario en el XVI International GIRO Forum and Training Seminar, que se llevará a cabo entre el 22 y el 26 de septiembre de 2025 en Lowell, Massachusetts, USA. Este encuentro conmemorará el 100° aniversario del ionosonda y reunirá a especialistas de todo el mundo en un completo programa científico y de capacitación.

Texto: A.J. Foppiano, Centro de instrumentación Científica, Universidad Adventista de Chile, Chillán.