Gli scienziati hanno individuato inaspettate strutture a forma di X e C nell’atmosfera e stanno cercando di spiegarle

Ogni giorno, i segnali radio dei principali satelliti per le comunicazioni e la navigazione viaggiano liberamente attraverso uno strato dell’atmosfera terrestre noto come ionosfera. Fluttuando da 80 a 643 chilometri sopra le nostre teste, direttamente sotto le zone più basse dello spazio dove orbitano alcuni satelliti per le comunicazioni, questa zona nell’alta atmosfera ospita anche molti enigmi irrisolti, tra cui uno a forma di alfabeto che ha il potenziale per ostacolare tutto ciò che quei segnali radio fanno per mantenere la vita sul nostro pianeta senza intoppi.

Gli astronomi sanno da tempo che formazioni simili a creste a forma di X possono apparire nel plasma della ionosfera, un mare di particelle cariche, dopo le tempeste solari. Anche gli eventi vulcanici e le condizioni meteorologiche estreme sulla Terra possono causare il fenomeno. Enormi eruzioni, come l’eruzione Hunga Tonga-Hunga Ha’apai del gennaio 2022, sollevano particelle nell’atmosfera terrestre che raggiungono persino lo spazio. Temporali e uragani possono creare onde di pressione che trovano la loro strada verso la ionosfera. Nel frattempo, di notte durante questi periodi attivi, quando la radiazione solare non è così forte, compaiono bolle a bassa densità nella ionosfera.

I dati satellitari non sono sempre stati in grado di catturare il quadro completo di ciò che sta accadendo nella ionosfera, ma la missione GOLD della NASA ha una vista dall’alto dello strato atmosferico sopra l’emisfero occidentale dallo spazio, rivelando come diversi fattori causano disturbi nella ionosfera.

Ora, gli astronomi che esaminano i dati raccolti dalla missione GOLD hanno trovato caratteristiche simili a forma di X e C mai viste prima che sorprendentemente sembrano essere apparse durante i “periodi di quiete” quando non c’erano disturbi atmosferici, secondo una nuova ricerca. I risultati stanno capovolgendo ciò che si sa su come potrebbero formarsi le strutture insolite e sui loro potenziali impatti.

I dati della missione stanno aiutando gli scienziati a vedere “quanto è complessa l’atmosfera terrestre” e mostrano che è più variabile del previsto, anche quando non c’è una causa ovvia dietro le perturbazioni a forma di alfabeto nella ionosfera, ha affermato Jeffrey Klenzing, uno scienziato ricercatore che studia la ionosfera al Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. “Sospetto che sia sempre accaduto“, ha affermato. “E in realtà il problema è stato fondamentalmente che non avevamo abbastanza dati per vedere davvero che stava accadendo“.

Acquisire una migliore comprensione dei fenomeni a forma di lettera potrebbe aiutare gli scienziati a svelare le dinamiche tra ionosfera e meteo, e come l’interazione possa rappresentare un rischio per le persone e i sistemi sulla Terra.

Creste a forma di X

La ionosfera non è sempre uno strato di gas perfettamente liscio ed è in continuo cambiamento. Diventa elettrizzata quando viene colpita dalla luce solare. La radiazione solare stacca gli elettroni dagli atomi e dalle molecole per creare plasma che consente alle comunicazioni radio di viaggiare su lunghe distanze.

Ma quando il Sole tramonta di notte, la ionosfera si assottiglia e le particelle un tempo cariche si depositano e diventano particelle neutre, secondo la NASA. È in questo momento che possono formarsi delle bolle nella ionosfera.

Le linee del campo magnetico terrestre trasportano anche particelle cariche che fluttuano liberamente nell’atmosfera verso due fasce dense a nord e a sud dell’equatore, note come creste. Date le loro diverse densità, creste e bolle che assomigliano a forme diverse all’interno della ionosfera possono causare interferenze con le comunicazioni e i segnali GPS.

La missione GOLD

La missione GOLD (Global-scale Observations of the Limb and Disk) monitora la ionosfera sin dal suo lancio nel gennaio 2018. Il satellite sfreccia attorno alla Terra alla stessa velocità di rotazione del nostro pianeta, consentendo al veicolo spaziale di rimanere in un volo stazionario costante sull’emisfero occidentale. GOLD ha individuato i segni più chiari delle caratteristiche a forma di X e C nel 2019, 2020 e 2021, e in luoghi inaspettati. Le prove stanno portando i ricercatori a mettere in discussione i potenziali effetti delle forme a X e C sui segnali di comunicazione in futuro.

“La missione GOLD della NASA è la prima a osservare le forme alfabetiche in modo inequivocabile”, ha affermato Fazlul Laskar, autore principale di uno studio sulle forme a X pubblicato sul Journal of Geophysical Research: Space Physics. “Queste forme rivelano che la ionosfera può essere molto dinamica a volte, mostrando strutture inaspettate“, ha aggiunto Laskar, ricercatore scientifico presso il Laboratory for Atmospheric and Space Physics dell’Università del Colorado. “Inoltre, dimostra che il meteo della bassa atmosfera potrebbe avere un impatto enorme sulla ionosfera“.

L’osservazione da parte di GOLD di più casi di X che si formano “durante condizioni di quiete geomagnetica” — invece che durante perturbazioni atmosferiche come tempeste solari o condizioni meteorologiche terrestri, quando erano state viste in precedenza — ora dice agli scienziati che un altro meccanismo deve essere responsabile della loro formazione, ha detto Laskar. I modelli computerizzati indicano cambiamenti nella bassa atmosfera che tirano il plasma verso il basso come una possibile spiegazione, secondo lo studio.

“(L’aspetto a) X è strano perché implica che ci siano fattori trainanti molto più localizzati”, ha detto Klenzing, che non è coinvolto nello studio. “Ciò è previsto durante gli eventi estremi, ma vederlo durante il “periodo di quiete” suggerisce che l’attività della bassa atmosfera stia guidando in modo significativo la struttura ionosferica“.

Bolle a forma di C mai viste prima

Separatamente, GOLD ha anche osservato bolle di plasma a forma di C che potrebbero essere influenzate da altri fattori. In genere, le bolle di plasma sono lunghe e dritte perché si formano lungo le linee del campo magnetico terrestre. Ma alcune delle bolle assomigliano a forme curve, che sembrano C o C invertite, e gli scienziati pensano che potrebbero essere modellate dai venti terrestri. Mentre le forme a C possono formarsi se i venti aumentano con l’altitudine, le C invertite potrebbero formarsi se i venti diminuiscono con l’altitudine, secondo i modelli di ricerca.

“È un po’ come un albero che cresce in una zona ventosa“, ha detto Klenzing. “Se i venti sono tipicamente a est, l’albero inizia a inclinarsi e a crescere in quella direzione“.

Ma GOLD ha osservato bolle di plasma a forma di C e a forma di C invertita insolitamente vicine tra loro, a circa 640km di distanza, secondo uno studio del novembre 2023 pubblicato sul Journal of Geophysical Research: Space Physics.

“A quella distanza ravvicinata, queste due bolle di plasma di forma opposta non erano mai state pensate”, ha detto Deepak Karan, ricercatore scientifico presso il Laboratory for Atmospheric and Space Physics dell’Università del Colorado. Karan lavora alla missione GOLD ed è l’autore principale dello studio sulle forme a C e coautore dello studio sulle forme a X.

Attività simili a tornado, wind shear o vortici potrebbero creare turbolenze nell’atmosfera che causano cambiamenti nei modelli di vento in un’area così piccola, ha detto Karan. Ma non si aspettavano di vedere bolle con strutture così opposte così vicine tra loro. “Il fatto che abbiamo forme di bolle molto diverse così vicine ci dice che la dinamica dell’atmosfera è più complessa di quanto ci aspettassimo“, ha detto Klenzing.

Finora, GOLD ha osservato solo due casi di accoppiamenti ravvicinati, ma le bolle a forma di C hanno il potenziale di interrompere le comunicazioni.

“È davvero importante scoprire perché sta accadendo“, ha detto Karan. “Se si è verificato un vortice o uno shear molto forte nel plasma, questo distorcerà completamente il plasma su quella regione. I segnali andranno completamente persi con una forte perturbazione come questa”.

Karan ha detto che questi vortici, che possono durare per ore, assomigliano ai tornado che si verificano nella bassa atmosfera della Terra, ma l’enigma che gli scienziati non riescono a risolvere è come si formano le strutture nella ionosfera durante il “periodo di quiete”. “Svelare il mistero di queste formazioni di bolle di plasma non è solo una curiosità scientifica, ma anche di importanza pratica per mitigare gli effetti negativi sui sistemi di comunicazione e navigazione”, ha affermato.

I tentativi di comprendere come le bolle si formino così vicine tra loro con gli attuali strumenti di modellazione non hanno avuto successo, ha affermato Karan. La sua speranza è che pubblicando la ricerca e includendo tutti i possibili meccanismi di formazione, la comunità scientifica possa unirsi per risolvere il mistero.

Un tesoro di dati

La missione GOLD è adatta a catturare caratteristiche inaspettate nella ionosfera grazie alla sua orbita. Mentre le precedenti missioni satellitari riuscivano a catturare solo una piccola parte di un evento in una dimensione, GOLD può acquisire più immagini di un evento nel corso di ore, ha affermato Laskar. L’esperto si aspetta che in futuro vengano rivelate caratteristiche ancora più sorprendenti nei dati di GOLD. “Grazie a una visuale così ampia e a misurazioni continue, GOLD ci ha permesso di osservare questi misteri all’interno della ionosfera“, ha affermato Karan.

L’esperto ha affermato che ci sono molte domande senza risposta su questo strato atmosferico, come ad esempio come i cambiamenti nella bassa atmosfera e l’attività solare influenzano il movimento delle particelle cariche nella ionosfera.

Dato che le tempeste solari potrebbero aumentare a causa dell’avvicinamento del Sole al picco del suo ciclo di 11 anni, chiamato massimo solare, gli astronomi vogliono anche avere una migliore comprensione di come la composizione della ionosfera cambia durante gli eventi perché improvvisi rigonfiamenti di particelle cariche possono aumentare la resistenza sui satelliti e accorciarne la durata, ha affermato Karan.

Anche le correnti elettriche scorrono nella ionosfera e un aumento della corrente elettrica durante le tempeste solari può danneggiare le linee di trasmissione e i trasformatori di terra sul nostro pianeta, ha affermato.

I risultati in sospeso degli studi sui dati GOLD durante la tempesta geomagnetica del 10 maggio 2024 potrebbero aiutare gli astronomi nello sviluppo di un sistema di previsioni meteorologiche spaziali, ha affermato Laskar. “Una cosa di cui abbiamo bisogno è un sistema di previsioni meteorologiche spaziali che possa dirci quando avremo problemi con i segnali GPS e quando le orbite dei satelliti potrebbero dover essere modificate per evitare collisioni catastrofiche”, ha affermato.

I segnali di navigazione sono ampiamente utilizzati non solo per spostarsi, ma anche nelle spedizioni, nei trasporti, nell’agricoltura e nell’edilizia. Quando bolle, creste o tempeste solari interrompono la distribuzione del plasma nella ionosfera, i segnali radio che attraversano lo strato atmosferico possono essere modificati, persi o svanire, ha affermato Karan. “Potrebbero esserci impatti pericolosi per la vita a causa della perdita improvvisa dei segnali GPS in aerei, navi e automobili, il che è persino spaventoso da immaginare“, ha affermato.

GOLD e i futuri concetti di missione potrebbero aiutare gli scienziati a comprendere meglio i fenomeni all’opera dietro queste caratteristiche a X e C osservate di recente, e forse persino a prevedere tali cambiamenti prima che si verifichino nella ionosfera. “Una delle sfide per i ricercatori ionosferici è riuscire a prevederne le dinamiche in anticipo”, ha affermato Laskar, “in modo da essere preparati alla perdita del segnale GPS e alle interruzioni delle comunicazioni satellitari”.