In alto sopra la Terra, sottili veli di foschia metallica fluttuano ai confini dello spazio. Noti come strati E sporadici, queste “nubi” ad alta quota si formano dalla polvere vaporizzata di meteore bruciate, e devono il loro nome al modo imprevedibile in cui emergono e si dissipano. Ora, nuovi risultati ottenuti da un razzo sonda della NASA, un razzo suborbitale di ricerca, che ha fatto volare simultaneamente cinque rilevatori attraverso uno di questi strati, rivelano per la prima volta un’inaspettata complessità al suo interno.
Gli strati E sporadici
Sebbene invisibili a occhio nudo, gli strati E sporadici si fanno sentire sui segnali radio su cui facciamo affidamento per le comunicazioni a lunga distanza. Quando presenti, gli strati E sporadici possono far rimbalzare questi segnali in direzioni inaspettate, rendendo la tecnologia temporaneamente inaffidabile. Gli scienziati hanno a lungo cercato di comprendere meglio queste nubi che disturbano le onde radio, ma fino a poco tempo fa ne avevano analizzato solo una piccola porzione alla volta. Il razzo, denominato SpEED Demon (Sporadic E Electrodynamics Demon), è stato lanciato dal Wallops Flight Facility della NASA in Virginia il 24 agosto 2022 e ha dimostrato la prima visione simultanea e multipunto all’interno degli strati E sporadici. I risultati, ottenuti da un team guidato dalla Embry-Riddle Aeronautical University, sono descritti in un nuovo studio pubblicato sul Journal of Geophysical Research: Space Physics.
Gli strati E sporadici si formano nella ionosfera, una regione dell’alta atmosfera che inizia a circa 60 chilometri di altitudine, dove i gas neutri iniziano a trasformarsi in plasma, ovvero gas ionizzato. Alcune delle particelle presenti provengono da meteoriti, che bruciano lasciando dietro di sé tracce di ferro, magnesio e altri metalli. Questi metalli si aggregano occasionalmente in dense formazioni nuvolose – gli strati E sporadici – che riflettono le onde radio.
Gli effetti sulle onde radio
“Gli strati E sporadici sono, in un certo senso, giganteschi specchi di onde radio nel cielo“, ha affermato Aroh Barjatya, responsabile scientifico della missione e professore di fisica ingegneristica presso l’Embry-Riddle di Daytona Beach, in Florida. Quando si forma uno strato E sporadico, i segnali destinati a viaggiare nello spazio possono rimbalzare verso terra. I controllori del traffico aereo e gli operatori radio marittimi possono captare trasmissioni distanti come se fossero vicine, e i radar che scandagliano oltre l’orizzonte possono registrare falsi bersagli.
Gli effetti si ripercuotono anche sulla tecnologia di uso quotidiano. “La principale fonte di errore nel GPS del vostro telefono, ad esempio, proviene dal plasma nella ionosfera, e gli strati E sporadici possono contribuire a questa incertezza”, ha dichiarato Henry Valentine, autore principale dello studio, che ha condotto la ricerca presso l’Embry-Riddle ed è ora ricercatore presso il Laboratorio di Ricerca Navale degli Stati Uniti.
Poiché gli strati E sporadici si trovano a circa 100 chilometri di altitudine (troppo in alto per i palloni sonda, troppo in basso per i satelliti) e si formano e si dissipano in modo imprevedibile, sono stati a lungo appannaggio dei razzi sonda, che possono essere lanciati con breve preavviso per coglierne uno in flagrante. Tuttavia, un singolo razzo percorre una sola traiettoria, effettuando misurazioni solo lungo una linea. Barjatya paragona la situazione all’osservazione di una scena attraverso una fessura in un muro. Si può osservare solo ciò che accade lungo quella stretta fessura, perdendo il contesto cruciale a sinistra o a destra.
La missione SpEED Demon
La missione SpEED Demon ha cambiato tutto questo. La missione è stata la prima a dispiegare sonde espellibili, chiamate dropsonde, all’interno di uno strato E sporadico. Una volta all’interno, il razzo ha rilasciato quattro dropsonde che si sono allontanate dal carico utile principale e l’una dall’altra, ciascuna misurando il plasma lungo la propria traiettoria e trasmettendo le misurazioni alle stazioni di terra. Insieme al carico utile principale, le sonde hanno campionato lo strato in un totale di cinque punti contemporaneamente.
I dati hanno rivelato una sorprendente complessità all’interno dello strato E sporadico. Invece di una superficie liscia e densa di particelle metalliche, lo strato attraversato da SpEED Demon appariva irregolare e strutturato, modellato dai venti turbolenti che si muovevano nell’aria neutra circostante. “Spesso si pensa allo strato E sporadico come a un singolo strato di densità ben definito, ma quello che abbiamo osservato nel nostro caso è un’interazione tra il vento neutro e queste turbolenze atmosferiche vorticose“, ha spiegato Valentine. “Piuttosto che una superficie piatta, assomiglia di più a una girella alla cannella”.
Durante la discesa, lo strato si è addirittura diviso in due picchi distinti. Il team ha scoperto che questa forma era coerente con la modulazione dovuta alle onde di Kelvin-Helmholtz, l’instabilità ondulatoria che produce i pattern di onde frangenti nelle nubi ordinarie. Poiché il volo non è stato in grado di misurare direttamente i venti locali e i campi elettrici, i ricercatori preferiscono definire la spiegazione dell’onda plausibile piuttosto che confermata.
Altre applicazioni della tecnologia
La missione SpEED Demon è stata concepita come una dimostrazione tecnologica, un test per verificare se la tecnica della radiosonda a caduta libera funzionasse. La tecnica ha funzionato e il team l’ha subito riproposta. Il team di Barjatya ha utilizzato una strategia simile con sonde multiple per lanciare razzi lungo le traiettorie dell’eclissi anulare dell’ottobre 2023 e dell’eclissi solare totale dell’aprile 2024, studiando come l’improvvisa oscurità disturbasse l’alta atmosfera. Nel giugno 2025, hanno lanciato la missione successiva di SpEED Demon, Sporadic-E ElectroDynamics, o SEED, verso gli strati E sporadici dall’atollo di Kwajalein nelle Isole Marshall, studiandoli a latitudini inferiori. Gli articoli scientifici relativi a queste missioni sono in fase di preparazione.
Dopo anni di studio, gli strati E sporadici non sono più imprevedibili come un tempo. “Presentano una stagionalità, con un picco di frequenza durante l’estate locale”, ha affermato Barjatya. Le domande su come e quando si formano sono sempre più specifiche. La nuova metodologia basata su sensori di razzi multipunto dispiegabili, insieme alle misurazioni da terra, probabilmente contribuirà a completare il quadro. “L’intera comunità scientifica è ormai nelle fasi finali della piena comprensione di questi giganteschi specchi a radiofrequenza nel cielo“, ha affermato Barjatya.
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