Scienziati della NASA e di tre università hanno presentato nuove scoperte sul modo in cui il calore e l'energia si muovono e si manifestano nella ionosfera, una regione dell'atmosfera terrestre che reagisce ai cambiamenti sia dallo spazio sopra che dalla Terra sotto.

Molto al di sopra della superficie terrestre, nella tenue atmosfera superiore, è un mare di particelle che sono state scisse in ioni positivi e negativi dalla dura radiazione ultravioletta del sole. Chiamata ionosfera, questa è l'interfaccia della Terra con lo spazio, l'area in cui l'atmosfera neutra della Terra e il clima terrestre lasciano il posto all'ambiente spaziale che domina la maggior parte del resto dell'universo, un ambiente che ospita particelle cariche e un complesso sistema di campi elettrici e magnetici. La ionosfera è formata dalle onde dell'atmosfera sottostante e risponde in modo univoco alle mutevoli condizioni nello spazio, convogliando tale tempo spaziale in osservabile, Fenomeni effettivi sulla Terra - creazione dell'aurora, segnali di comunicazione disturbanti, e talvolta causando problemi con il satellite.

Molti di questi effetti non sono ben compresi, lasciando la ionosfera, per la maggior parte, una regione di mistero. Scienziati del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, l'Università Cattolica d'America a Washington, DC, l'Università del Colorado Boulder, e l'Università della California, Berkeley, ha presentato nuovi risultati sulla ionosfera alla riunione autunnale dell'American Geophysical Union il 14 dicembre, 2016, a San Francisco.

Un ricercatore ha spiegato come l'interazione tra la ionosfera e un altro strato nell'atmosfera, la termosfera, contrastare il riscaldamento nella termosfera - riscaldamento che porta all'espansione dell'alta atmosfera, che può causare un decadimento orbitale prematuro. Un altro ricercatore ha descritto come l'energia al di fuori della ionosfera si accumula fino a quando non si scarica, non diversamente dai fulmini, offrendo una spiegazione su come l'energia del tempo spaziale attraversa la ionosfera. Un terzo scienziato ha discusso di due imminenti missioni della NASA che forniranno osservazioni chiave di questa regione, aiutandoci a capire meglio come reagisce la ionosfera sia al tempo spaziale che al tempo terrestre.

I cambiamenti nella ionosfera sono principalmente guidati dall'attività del sole. Sebbene possa sembrare immutabile per noi sul terreno, il nostro sole è, infatti, molto dinamico, stella attiva. Guardare il sole nelle lunghezze d'onda ultraviolette della luce dallo spazio - al di sopra della nostra atmosfera che blocca la luce UV - rivela un'attività costante, comprese esplosioni di luce, particelle, e campi magnetici.

Occasionalmente, il sole rilascia enormi nuvole di particelle e campi magnetici che esplodono dal sole a più di un milione di miglia all'ora. Queste sono chiamate espulsioni di massa coronale, o ECM. Quando un CME raggiunge la Terra, i suoi campi magnetici incorporati possono interagire con il campo magnetico naturale della Terra - chiamato magnetosfera - a volte comprimendolo o addirittura causando il riallineamento di parti di esso.

È questo riallineamento che trasferisce energia nel sistema atmosferico terrestre, innescando una reazione a catena di campi elettrici e magnetici mutevoli che possono inviare le particelle già intrappolate vicino alla Terra a schizzare in tutte le direzioni. Queste particelle possono quindi creare uno degli eventi meteorologici spaziali più riconoscibili e maestosi:l'aurora, altrimenti noto come l'aurora boreale.

Ma il trasferimento di energia nell'atmosfera non è sempre così innocuo. Può anche riscaldare l'atmosfera superiore, dove orbitano i satelliti della Terra bassa, facendola espandere come una mongolfiera.

"Questo rigonfiamento significa che c'è più roba ad altitudini più elevate di quanto ci aspetteremmo altrimenti, " disse Delores Knipp, uno scienziato spaziale presso l'Università del Colorado Boulder. "Quella roba in più può trascinarsi sui satelliti, interrompendo le loro orbite e rendendole più difficili da rintracciare."

Questo fenomeno è chiamato trascinamento satellitare. Una nuova ricerca mostra che questa comprensione della risposta dell'alta atmosfera alle tempeste solari - e la conseguente resistenza dei satelliti - potrebbe non essere sempre vera.

"La nostra comprensione di base è stata che le tempeste geomagnetiche immettono energia nel sistema terrestre, che porta al rigonfiamento della termosfera, che può trascinare i satelliti in orbite inferiori, " disse Knipp, ricercatore capo su questi nuovi risultati. "Ma non è sempre così."

Qualche volta, l'energia delle tempeste solari può innescare una reazione chimica che produce un composto chiamato ossido nitrico nell'alta atmosfera. L'ossido nitrico agisce come agente di raffreddamento ad altitudini molto elevate, promuovere la perdita di energia nello spazio, quindi un aumento significativo di questo composto può causare un fenomeno chiamato sovraraffreddamento.

"Il sovraraffreddamento fa sì che l'atmosfera disperda rapidamente energia dalla tempesta geomagnetica molto più velocemente del previsto, " disse Knipp. "È come se il termostato per l'alta atmosfera si fosse bloccato sull'impostazione 'freddo'."

Quella rapida perdita di energia contrasta l'espansione precedente, causando il collasso dell'atmosfera superiore - a volte in uno stato ancora più piccolo di quello in cui è iniziato, lasciando i satelliti che viaggiano attraverso regioni a densità più bassa del previsto.

Una nuova analisi di Knipp e del suo team classifica i tipi di tempeste che potrebbero portare a questo raffreddamento eccessivo e al rapido collasso dell'alta atmosfera. Confrontando oltre un decennio di misurazioni dai satelliti del Dipartimento della Difesa e dalla Termosfera della NASA, Ionosfera, Energetica e dinamica della mesosfera, o TEMPORIZZATO, missione, i ricercatori sono stati in grado di individuare modelli nell'energia che si muove attraverso l'atmosfera superiore.

"È più probabile che si verifichi un sovraraffreddamento quando un materiale espulso molto veloce e organizzato magneticamente dal sole fa vibrare il campo magnetico terrestre, " disse Knipp. "Le nuvole lente o mal organizzate non hanno lo stesso effetto."

Ciò significa che, controintuitivamente, è probabile che le tempeste solari più energiche forniscano un netto raffreddamento e un effetto di restringimento sull'atmosfera superiore, piuttosto che riscaldarlo ed espanderlo come era stato precedentemente inteso.

In competizione con questo processo di raffreddamento c'è il riscaldamento causato dall'energia della tempesta solare che si fa strada nell'atmosfera terrestre. Sebbene gli scienziati sappiano che l'energia eolica solare alla fine raggiunge la ionosfera, hanno capito poco di dove, quando e come avviene questo trasferimento. Nuove osservazioni mostrano che il processo è localizzato e impulsivo, e in parte dipendenti dallo stato della ionosfera stessa.

Tradizionalmente, gli scienziati hanno pensato che il modo in cui l'energia si muove attraverso la magnetosfera e l'atmosfera terrestre è determinato dalle caratteristiche delle particelle in arrivo e dai campi magnetici del vento solare, ad esempio lungo, flusso costante di particelle solari produrrebbe effetti diversi rispetto a un flusso più veloce, flusso meno consistente. Però, nuovi dati mostrano che il modo in cui l'energia si muove è molto più strettamente legato ai meccanismi con cui sono collegate la magnetosfera e la ionosfera.

"Il processo di trasferimento di energia risulta essere molto simile al modo in cui si formano i fulmini durante un temporale, " ha detto Bob Robinson, uno scienziato spaziale presso la NASA Goddard e la Catholic University of America.

Durante un temporale, un accumulo di differenza di potenziale elettrico - chiamato tensione - tra una nuvola e il suolo porta ad un improvviso, scarica violenta di quell'energia elettrica sotto forma di fulmine. Questa scarica può avvenire solo se c'è un percorso elettricamente conduttore tra la nuvola e il suolo, chiamato leader.

Allo stesso modo, il vento solare che colpisce la magnetosfera può creare una differenza di tensione tra diverse regioni della ionosfera e della magnetosfera. Le correnti elettriche possono formarsi tra queste regioni, creando il percorso conduttivo necessario affinché l'energia elettrica accumulata si scarichi nella ionosfera come una sorta di fulmine.

"Il fulmine terrestre impiega diversi millisecondi per verificarsi, mentre questo "fulmine" magnetosfera-ionosfera dura diverse ore - e la quantità di energia trasferita è da centinaia a migliaia di volte maggiore, " ha detto Robinson, ricercatore capo su questi nuovi risultati. Questi risultati si basano sui dati della costellazione globale delle comunicazioni satellitari Iridium.

Poiché le tempeste solari potenziano le correnti elettriche che danno luogo a questo fulmine magnetosfera-ionosfera, questo tipo di trasferimento di energia è molto più probabile quando il campo magnetico terrestre è spinto da un evento solare.

L'enorme trasferimento di energia da questo fulmine magnetosfera-ionosfera è associato al riscaldamento della ionosfera e dell'alta atmosfera, così come l'aumento dell'aurora.

Guardare avanti

Sebbene gli scienziati stiano facendo progressi nella comprensione dei processi chiave che guidano i cambiamenti nella ionosfera e, a sua volta, sulla terra, c'è ancora molto da capire. Nel 2017, La NASA sta lanciando due missioni per indagare su questa regione dinamica:Ionospheric Connection Explorer, o ICONA, e Osservazioni globali dell'arto e del disco, o ORO.

"La ionosfera non reagisce solo all'energia immessa dalle tempeste solari, " ha detto Scott Inghilterra, uno scienziato spaziale presso l'Università della California, Berkeley, che lavora su entrambe le missioni ICON e GOLD. "Tempo terrestre, come uragani e modelli di vento, può modellare l'atmosfera e la ionosfera, cambiando il modo in cui reagiscono al tempo spaziale".

ICON misurerà simultaneamente le caratteristiche delle particelle cariche nella ionosfera e delle particelle neutre nell'atmosfera, comprese quelle modellate dal clima terrestre, per capire come interagiscono. GOLD prenderà molte delle stesse misurazioni, ma dall'orbita geostazionaria, che fornisce una visione globale di come cambia la ionosfera.

Sia ICON che GOLD sfrutteranno un fenomeno chiamato airglow - la luce emessa dal gas che viene eccitato o ionizzato dalla radiazione solare - per studiare la ionosfera. Misurando la luce del bagliore dell'aria, gli scienziati possono seguire la composizione che cambia, densità, e anche la temperatura delle particelle nella ionosfera e nell'atmosfera neutra.

La posizione di ICON a 350 miglia sopra la Terra le consentirà di studiare l'atmosfera di profilo, dando agli scienziati uno sguardo senza precedenti sullo stato della ionosfera a una gamma di altitudini. Nel frattempo, posizione di ORO 22, 000 miglia sopra la Terra gli darà la possibilità di monitorare i cambiamenti nella ionosfera mentre si muovono attraverso il globo, simile a come un satellite meteorologico segue una tempesta.

"Utilizzeremo queste due missioni insieme per capire come i sistemi meteorologici dinamici si riflettono nell'alta atmosfera, e come questi cambiamenti impattano sulla ionosfera, " ha detto Inghilterra.