Due missioni della NASA pronte a studiare il confine dello spazio

La NASA si sta preparando a lanciare due nuove missioni, entrambe progettate per studiare un'irrequieta e dinamica regione situata centinaia di chilometri al di sopra delle nostre teste. Qui, i gas neutri dell'atmosfera terrestre convivono con gli ioni creati dalle radiazioni provenienti dal Sole e dallo spazio profondo. Queste due popolazioni di particelle costituiscono, rispettivamente, la termosfera e la ionosfera.

La posizione della ionosfera e della troposfera rispetto agli altri strati atmosferici. Credit: NASA GSFC

Il delicato equilibrio di questa complessa regione atmosferica è continuamente stravolto dalle radiazioni spaziali provenienti dall'esterno, dai fenomeni meteorologici più in basso, dalle interazioni tra le particelle neutre e gli ioni e dai campi elettrici e magnetici che permeano lo strato.

"Per anni, abbiamo creduto che l'energia proveniente dallo spazio, ad esempio tramite il vento solare o le radiazioni solari ultraviolette, fosse l'unico fattore responsabile dei cambiamenti nell'atmosfera superiore," spiega Doug Rowland della NASA. "Ora, però, sappiamo che anche i movimenti atmosferici molto più in basso, appena al di sopra della superficie terrestre, possono avere un forte effetto su ciò che accade in quota."

Di recente, ad esempio, gli scienziati hanno individuato aree all'interno della ionosfera in cui la densità degli ioni risulta molto più elevata rispetto alla media. Queste aree si trovano lungo due fasce che avvolgono l'intero pianeta, e le loro variazioni sembrano seguire i cicli giornalieri all'opera nell'atmosfera inferiore, suggerendo che vi sia una relazione molto intima tra queste due regioni.

Un confronto tra l'orbita geostazionaria di GOLD e la bassa orbita di ICON, inclinata di 27 gradi rispetto all'equatore. Credit: NASA GSFC/SVS

"A partire dal 2000, abbiamo raccolto prove inequivocabili che dimostrano che le nostre precedenti teorie su una ionosfera influenzata solamente dal Sole non rispecchiano la realtà," spiega Thomas Immel dell'Università della California a Berkeley. "Al contrario, la struttura della ionosfera cambia con il variare delle condizioni meteorologiche e con l'alternarsi delle stagioni. Qualunque sia l'altro fattore che controlla questa regione, oltre al Sole, è di fondamentale importanza."

Lo studio di questa regione potrebbe avere numerosi risvolti pratici. È attraverso questa regione, infatti, che passano i segnali GPS e le trasmissioni radio. Variazioni nella struttura della ionosfera possono avere drammatiche conseguenze sui nostri sistemi di comunicazione.

"Queste variazioni possono portare le comunicazioni radio a cessare improvvisamente, il che può essere un grande problema per navi, aerei ed il sistema di posizionamento globale," prosegue Immel. "C'è bisogno di poter prevedere queste variazioni prima che accadano."

Anche la termosfera è caratterizzata da continue variazioni. Quando questo strato si gonfia - ad esempio, in seguito ad una tempesta solare - l'attrito atmosferico di cui sono vittima i satelliti nella bassa orbita terrestre può aumentare significativamente, tanto da abbassare in maniera improvvisa e del tutto imprevista l'orbita delle malcapitate sonde.

Comprendere i meccanismi che governano questa regione, dunque, è di fondamentale importanza. Per questo motivo, la NASA lancerà due diverse missioni nell'arco del 2017 al fine di studiare l'interazione tra la termosfera, la ionosfera, le condizioni meteorologiche e i fenomeni spaziali.

Studiando un'ampia gamma di lunghezze d'onda, ICON potrà far luce su diversi aspetti dell'interazione tra atmosfera e ionosfera. Credit: NASA GSFC/CIL/University of California, Berkeley

L'Ionospheric Connection Explorer (ICON) andrà ad occupare un'orbita inclinata di 27 gradi e distante circa 580 chilometri dalla superficie terrestre. Studiando gli strati compresi tra 90 e 400 chilometri di quota, ICON fornirà agli scienziati le prime, comprensive misurazioni della regione in cui la termosfera e la ionosfera convivono l'una accanto all'altra. Questo punto di vista del tutto inedito aiuterà gli scienziati a determinare i meccanismi responsabili delle variazioni nella ionosfera.

La sonda è dotata di quattro strumenti. Misurando lunghezze d'onda diverse, ICON potrà caratterizzare diversi aspetti dall'atmosfera e dalla ionosfera terrestri. L'interferometro MIGHTI misurerà la temperatura e la velocità delle specie neutre, studiando le loro emissioni infrarosse. I moti di queste particelle sono influenzati dai fenomeni meteorologici in prossimità della superficie terrestre, e possono a loro volta influenzare i moti delle particelle cariche presenti a quote più alte. Lo strumento IVM sarà invece deputato al monitoraggio delle variazioni nella velocità delle particelle cariche, gli ioni. Lo strumento EUV, poi, raccoglierà le emissioni provenienti dall'ossigeno presente nell'atmosfera superiore nella regione ultravioletta dello spettro elettromagnetico. Il sensore FUV, infine, misurerà le radiazioni nella regione del lontano ultravioletto. Di notte, ciò gli permetterà di misurare la densità della ionosfera; di giorno, invece, FUV potrà osservare i cambiamenti nella composizione chimica dell'atmosfera superiore.

Di notte, GOLD mapperà la distribuzione degli ioni nella ionosfera; di giorno, misurerà la composizione e la temperatura della termosfera. Credit: NASA GSFC/SVS/University of California, Berkeley

Dalla sua orbita unica, ICON potrà osservare l'atmosfera di profilo, riuscendo così a sondare un ampio intervallo di quote diverse allo stesso momento. Parcheggiata in un'orbita molto più elevata, una seconda missione effettuerà misurazioni simili a quelle di ICON, ma su scala globale.

Lo spettrometro a ultravioletti Global-Scale Observations Of The Limb And Disk (GOLD) volerà a bordo di un satellite commerciale, seguendo un'orbita geostazionaria a 35,5 mila chilometri dalla Terra. Lo strumento farà luce su come i gas neutri nella termosfera plasmino la struttura e l'evoluzione della ionosfera, assieme ai fenomeni meteorologici e ai fenomeni spaziali.

"La ionosfera non risponde solamente all'energia fornita dalle tempeste solari. Anche il meteo terrestre, come uragani e venti, può influenzare l'atmosfera e la ionosfera, cambiando il modo in cui reagiscono con il vento spaziale," spiega Scott England dell'Università di Berkely, che lavora ad entrambe le missioni. "Useremo queste due missioni assieme per comprendere come i sistemi meteorologici dinamici influenzano l'atmosfera superiore, e gli impatti di questi cambiamenti sulla ionosfera."

Entrambe le sonde sfrutteranno la luminescenza notturna - il fenomeno per cui la ricombinazione degli ioni creati dalle radiazioni ultraviolette del Sole produce una debole emissione luminosa.

"Una delle aree di frontiera nell'eliofisica è lo studio dell'interfaccia tra lo spazio profondo e le propaggini superiori dell'atmosfera terrestre," spiega John Grunsfeld della NASA. "Questi progetti useranno soluzioni innovative per approfondire le nostre conoscenze su questa regione relativamente inesplorata. Queste due missioni assieme ci potranno dire molto sull'atmosfera e sulla ionosfera della Terra."

Il satellite ICON verrò lanciato a bordo di un razzo Pegasus XL da un aereo L-1011 TriStar a Giugno 2017. Lo strumento GOLD, invece, decollerà nella seconda metà dell'anno.