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    Dal giorno alla notte e viceversa:ionosfera terrestre durante l'eclissi solare totale

    Durante l'eclissi solare totale, la Luna spegnerà la sorgente della ionosfera di radiazioni ultraviolette estreme:la ionosfera passerà dalle condizioni diurne a quelle notturne. Credito:Goddard Space Flight Center della NASA/Katy Mersmann

    Il 21 agosto 2017, la Luna scivolerà davanti al Sole e per un breve momento, il giorno si scioglierà in una notte oscura. Muovendosi per il paese, l'ombra della Luna bloccherà la luce del Sole, e tempo permettendo, quelli all'interno del percorso della totalità saranno trattati per una vista dell'atmosfera esterna del Sole, chiamato corona.

    Ma l'eclissi solare totale avrà anche effetti impercettibili, come l'improvvisa perdita di radiazioni ultraviolette estreme dal Sole, che genera lo strato ionizzato dell'atmosfera terrestre, chiamata ionosfera. Questa regione in continua evoluzione cresce e si restringe in base alle condizioni solari, ed è al centro di diversi team scientifici finanziati dalla NASA che utilizzeranno l'eclissi come un esperimento già pronto, cortesia della natura.

    La NASA sta approfittando dell'eclissi del 21 agosto finanziando 11 indagini scientifiche a terra negli Stati Uniti. Tre di questi guarderanno alla ionosfera per migliorare la nostra comprensione della relazione del Sole con questa regione, dove orbitano i satelliti e i segnali radio vengono riflessi verso la Terra.

    "L'eclissi spegne la sorgente della ionosfera di radiazioni ad alta energia, " ha detto Bob Marshall, uno scienziato spaziale presso l'Università del Colorado Boulder e ricercatore principale per uno degli studi. "Senza radiazioni ionizzanti, la ionosfera si rilasserà, passando da condizioni diurne a condizioni notturne e poi di nuovo dopo l'eclissi".

    Allungando da circa 50 a 400 miglia sopra la superficie terrestre, la tenue ionosfera è uno strato elettrificato dell'atmosfera che reagisce ai cambiamenti sia dalla Terra sottostante che dallo spazio sopra. Tali cambiamenti nella bassa atmosfera o nella meteorologia spaziale possono manifestarsi come interruzioni nella ionosfera che possono interferire con i segnali di comunicazione e navigazione.

    "Nella nostra vita, questa è la migliore eclissi da vedere, " ha detto Greg Earle, un ingegnere elettrico e informatico alla Virginia Tech di Blacksburg, Virginia, che sta conducendo un altro degli studi. "Ma abbiamo anche una rete più fitta di satelliti, GPS e traffico radio come mai prima d'ora. È la prima volta che disponiamo di una tale ricchezza di informazioni per studiare gli effetti di questa eclissi; annegheremo nei dati".

    L'ombra della Luna influenzerà drammaticamente l'insolazione - la quantità di luce solare che raggiunge il suolo - durante l'eclissi solare totale. Credito:Studio di visualizzazione scientifica della NASA

    Individuare le dinamiche ionosferiche può essere complicato. "Rispetto alla luce visibile, l'emissione ultravioletta estrema del Sole è molto variabile, " ha detto Phil Erickson, ricercatore principale di un terzo studio e scienziato spaziale presso l'Haystack Observatory del Massachusetts Institute of Technology a Westford, Massachusetts. "Questo crea variabilità nel tempo ionosferico. Poiché il nostro pianeta ha un forte campo magnetico, anche le particelle cariche sono influenzate lungo le linee del campo magnetico in tutto il pianeta:tutto ciò significa che la ionosfera è complicata".

    Ma quando la totalità arriverà il 21 agosto, gli scienziati sapranno esattamente quanta radiazione solare è bloccata, l'area di terreno su cui è bloccata e per quanto tempo. Combinato con misurazioni della ionosfera durante l'eclissi, avranno informazioni sia sull'input solare che sulla corrispondente risposta della ionosfera, consentendo loro di studiare i meccanismi alla base dei cambiamenti ionosferici meglio che mai.

    A legare insieme i tre studi c'è l'uso di comunicazioni automatizzate o segnali di navigazione per sondare il comportamento della ionosfera durante l'eclissi. Durante i tipici cicli giorno-notte, la concentrazione di particelle atmosferiche cariche, o plasma, cresce e cala con il Sole.

    "Di giorno, il plasma ionosferico è denso, " disse Earle. "Quando il sole tramonta, la produzione va via, le particelle cariche si ricombinano gradualmente durante la notte e la densità diminuisce. Durante l'eclissi, ci aspettiamo quel processo in un intervallo molto più breve".

    Più denso è il plasma, più è probabile che questi segnali si scontrino con particelle cariche lungo il loro percorso dal trasmettitore di segnale al ricevitore. Queste interazioni rifrangono, o piegare, il percorso seguito dai segnali. Nella notte artificiale indotta dall'eclissi gli scienziati si aspettano segnali più forti, poiché l'atmosfera e la ionosfera assorbiranno meno dell'energia trasmessa.

    "Se installiamo un ricevitore da qualche parte, le misurazioni in quella posizione forniscono informazioni sulla parte della ionosfera tra il trasmettitore e il ricevitore, "Ha detto Marshall. "Usiamo i ricevitori per monitorare la fase e l'ampiezza del segnale. Quando il segnale si muove su e giù, che è interamente prodotto dai cambiamenti nella ionosfera."

    Uno strato di particelle cariche, chiamata ionosfera, circonda la Terra, che si estende da circa 50 a 400 miglia sopra la superficie del pianeta. Credito:Goddard Space Flight Center/Duberstein della NASA

    Utilizzando una gamma di diversi segnali elettromagnetici, ciascuna delle squadre invierà segnali avanti e indietro lungo il percorso della totalità. Monitorando come i loro segnali si propagano dal trasmettitore al ricevitore, possono mappare i cambiamenti nella densità ionosferica. Le squadre utilizzeranno anche queste tecniche per raccogliere dati prima e dopo l'eclissi, in modo che possano confrontare la risposta dell'eclissi ben definita al comportamento della linea di base della regione, permettendo loro di discernere gli effetti legati all'eclissi.

    Sondare la Ionosfera

    La ionosfera è suddivisa approssimativamente in tre regioni di altitudine in base a quale lunghezza d'onda della radiazione solare viene assorbita:la D, E e F, dove D è la regione più bassa e F, il più in alto. In combinazione, i tre gruppi sperimentali studieranno l'intera ionosfera.

    Marshall e la sua squadra, dell'Università del Colorado Boulder, sonderà la risposta della regione D all'eclisse con una frequenza molto bassa, o VLF, segnali radio. Questa è la parte più bassa e meno densa della ionosfera, e per questo motivo, il meno compreso.

    "Solo perché la densità è bassa, non significa che non sia importante, "Ha detto Marshall. "La regione D ha implicazioni per i sistemi di comunicazione utilizzati attivamente da molti militari, operazioni navali e di ingegneria”.

    Il team di Marshall sfrutterà la rete esistente di potenti trasmettitori VLF della Marina degli Stati Uniti per esaminare la risposta della regione D ai cambiamenti nella produzione solare. Trasmissioni di onde radio inviate da Lamoure, Nord Dakota, saranno monitorati presso le stazioni riceventi lungo il percorso dell'eclissi a Boulder, Colorado, e Bear Lake, Utah. Hanno in programma di combinare i loro dati con le osservazioni di diverse missioni spaziali, compreso il satellite ambientale operativo geostazionario della NOAA, Il Solar Dynamics Observatory della NASA e il Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager della NASA, per caratterizzare l'effetto della radiazione solare su questa particolare regione della ionosfera.

    Durante i tipici cicli giorno-notte, la ionosfera - mostrata in viola e non in scala in questa immagine - cresce e cala con il Sole. L'eclissi solare totale eliminerà la fonte di radiazioni ionizzanti di questa regione. Credito:Goddard Space Flight Center/Duberstein della NASA

    Erickson e il team guarderanno più in alto, alle regioni E e F della ionosfera. Usando più di 6, 000 sensori GPS a terra insieme a potenti sistemi radar presso l'Osservatorio Haystack del MIT e l'Osservatorio di Arecibo a Porto Rico, insieme ai dati di diverse missioni spaziali della NASA, il team del MIT lavorerà anche con scienziati radiofonici cittadini che invieranno segnali radio avanti e indietro su lunghe distanze attraverso il percorso.

    Il team scientifico del MIT utilizzerà i propri dati per tracciare i disturbi ionosferici in viaggio, che a volte sono responsabili dei modelli meteorologici spaziali nell'alta atmosfera, e i loro effetti su larga scala. Questi disturbi nella ionosfera sono spesso legati a un fenomeno noto come onde di gravità atmosferica, che può essere innescato anche da eclissi.

    "Potremmo persino vedere effetti su scala globale, " Ha detto Erickson. "Il campo magnetico terrestre è come un filo che collega due diversi emisferi insieme. Ogni volta che si verificano variazioni elettriche in un emisfero, si presentano nell'altro".

    Earle e il suo team con sede in Virginia Tech si stanzieranno in tutto il paese a Bend, Oregon; Holton, Kansas; e la base aeronautica di Shaw a Sumter, Carolina del Sud. Utilizzando strumenti ricetrasmettitori all'avanguardia chiamati ionosondi, misureranno l'altezza e la densità della ionosfera, e combinare le loro misurazioni con i dati di una rete GPS nazionale e i segnali della rete radioamatoriale Reverse Beacon. Il team utilizzerà anche i dati dei radar ad alta frequenza SuperDARN, due dei quali si trovano lungo il percorso dell'eclissi nella Christmas Valley, Oregon, e Hays, Kansas.

    "Stiamo guardando il lato inferiore della regione F, e come cambia durante l'eclissi, "Ha detto Earle. "Questa è la parte della ionosfera in cui i cambiamenti nella propagazione del segnale sono forti." Il loro lavoro potrebbe un giorno aiutare a mitigare i disturbi alla propagazione del segnale radio, che possono influenzare le trasmissioni AM, segnali radioamatoriali e GPS.

    In definitiva, gli scienziati intendono utilizzare i loro dati per migliorare i modelli della dinamica ionosferica. Con questi set di dati senza precedenti, sperano di migliorare la nostra comprensione di questa regione sconcertante.

    "Altri hanno studiato le eclissi nel corso degli anni, ma con più strumentazione, continuiamo a migliorare la nostra capacità di misurare la ionosfera, " Ha detto Erickson. "Di solito scopre domande che non avremmo mai pensato di porre".


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