La celebre Great American Eclipse dell'agosto 2017 ha attraversato gli Stati Uniti continentali in 90 minuti, e la totalità è durata non più di pochi minuti in qualsiasi luogo. L'evento è ben nello specchietto retrovisore ora, ma l'indagine scientifica sugli effetti dell'ombra della luna sull'atmosfera terrestre è ancora intensamente perseguita, e nuove interessanti scoperte stanno emergendo a un ritmo rapido. Questi includono osservazioni significative degli scienziati dell'Osservatorio Haystack del MIT a Westford, Massachusetts.

Le eclissi non sono particolarmente rare, ma è insolito che uno attraversi gli interi Stati Uniti continentali come è successo ad agosto. Studiando gli effetti di un'eclisse sul contenuto di elettroni dell'atmosfera superiore, gli scienziati stanno imparando di più su come l'atmosfera complessa e interconnessa del nostro pianeta risponde agli eventi meteorologici spaziali, come brillamenti solari ed espulsioni di massa coronale, che possono avere gravi effetti sulle informazioni del segnale e sui percorsi di comunicazione, e può avere un impatto sui servizi di navigazione e posizionamento.

La ionosfera è lo strato dell'atmosfera contenente particelle cariche create principalmente dalla radiazione solare. Consente la propagazione e la comunicazione delle onde radio a lunga distanza oltre l'orizzonte e influisce sulle trasmissioni satellitari essenziali nei sistemi di navigazione e a bordo degli aerei. Poiché la ionosfera è il mezzo in cui viaggiano le onde radio ed è influenzata dalle variazioni solari, comprenderne le caratteristiche è importante per la nostra moderna società tecnologica. La ionosfera ospita un numero enorme di onde naturali, da piccolo a grande per dimensioni e robustezza, e le ombre dell'eclissi in particolare possono lasciare dietro di sé un gran numero di onde appena create mentre viaggiano attraverso il pianeta.

Un tipo di queste nuove onde, note come onde ionosferiche di prua, è stato previsto per più di 40 anni per esistere sulla scia di un passaggio di eclissi. I ricercatori dell'Haystack Observatory del MIT e dell'Università di Tromsø in Norvegia hanno confermato definitivamente per la prima volta l'esistenza di onde ionosferiche durante l'evento di agosto 2017. Un team internazionale guidato dagli scienziati dell'Osservatorio Haystack ha studiato i dati sul contenuto di elettroni ionosferici raccolti da una rete di oltre 2, 000 ricevitori GNSS (Global Navigation Satellite System) in tutta la nazione. Sulla base di questo lavoro, Shunrong Zhang di Haystack e colleghi hanno pubblicato un articolo a dicembre sulla rivista Lettere di ricerca geofisica sui risultati che mostrano le onde dell'arco ionosferico appena rilevate.

I ricercatori geospaziali dell'Haystack Observatory sono stati in grado di osservare per la prima volta nell'atmosfera il fenomeno dell'onda di prua dell'eclissi con dettagli e accuratezza senza precedenti, grazie alla vasta rete di ricevitori GNSS estremamente sensibili ora in funzione negli Stati Uniti. Le onde di prua ionosferiche osservate sono molto simili a quelle formate da una nave; l'ombra della luna viaggia così velocemente da causare un improvviso cambiamento di temperatura poiché l'atmosfera viene rapidamente raffreddata e quindi riscaldata al passaggio dell'eclissi.

"L'ombra dell'eclissi ha un movimento supersonico che [genera] onde d'arco atmosferiche, simile a un battello fluviale in rapido movimento, con onde che iniziano nella bassa atmosfera e si propagano nella ionosfera, " afferma la descrizione di Zhang e dei suoi colleghi. "Il passaggio dell'eclissi ha generato chiare onde dell'arco ionosferico in disturbi del contenuto di elettroni provenienti dalla totalità principalmente negli Stati Uniti centro-orientali. Lo studio delle caratteristiche delle onde rivela complesse interconnessioni tra il sole, Luna, e l'atmosfera neutra della Terra e la ionosfera."

I ricevitori GNSS raccolgono in modo molto accurato, dati ad alta risoluzione sul contenuto totale di elettroni (TEC) della ionosfera. Il ricco dettaglio fornito da questi dati ha informato uno studio separato sugli effetti delle eclissi nello stesso numero di Lettere di ricerca geofisica dal team di ricerca Haystack e dai colleghi internazionali. La direttrice associata dell'Osservatorio Haystack e autrice principale Anthea Coster e i suoi coautori descrivono la dimensione continentale e la tempistica delle deplezioni di TEC innescate da eclissi osservate negli Stati Uniti e hanno osservato un aumento TEC sulle Montagne Rocciose che è probabilmente correlato alla generazione di onde di montagna nel bassa atmosfera durante l'eclissi. La ragione di questo effetto, che non era previsto o anticipato prima dell'eclissi, è oggetto di indagine da parte della comunità scientifica geospaziale.

"Fin dai primi giorni delle comunicazioni radio più di 100 anni fa, è noto che le eclissi hanno effetti ampi e talvolta imprevisti sulla parte ionizzata dell'atmosfera terrestre e sui segnali che la attraversano, "dice Phil Erickson, assistente alla regia di Haystack e capo del gruppo di scienze atmosferiche e geospaziali. "Questi nuovi risultati degli studi condotti da Haystack sono un eccellente esempio di quanto resta ancora da imparare sulla nostra atmosfera e le sue complesse interazioni attraverso l'osservazione di uno dei luoghi più spettacolari della natura:un gigantesco esperimento celeste attivo fornito dal sole e dalla luna. potenza dei moderni metodi di osservazione, compresi i sensori radio remoti ampiamente distribuiti negli Stati Uniti, è stata la chiave per rivelare queste nuove e affascinanti caratteristiche."

Gli studi sull'eclissi di Haystack, comprese le osservazioni delle onde di prua, ha attirato l'attenzione dei media scientifici nazionali. Uno dei lettori di Zhang, uno studente di terza media del Minnesota, fatto alcune domande interessanti:

D:C'erano prove precedenti per dimostrare che le onde sarebbero arrivate durante l'eclissi?

R:C'erano studi precedenti sulle onde basati su una copertura spaziale molto limitata delle osservazioni. La Great American Eclipse ha fornito una copertura spaziale senza precedenti per visualizzare senza ambiguità le strutture ondulate complete.

D:Queste onde hanno emesso attività sismica? Avevano una frequenza su cui potevano essere rilevati?

R:No, non l'hanno fatto. Infatti crediamo che queste onde siano state originate dalla media atmosfera [circa 50 chilometri] ma le abbiamo osservate nell'alta atmosfera a circa 300 chilometri. Erano fluttuazioni di pressione molto deboli se osserviamo le onde da terra. Questo tipo di onda è stato prodotto da processi di raffreddamento legati all'eclissi; potrebbero esserci altri modi per indurre onde simili nell'alta atmosfera.

I.:Sulla via della totalità, le onde erano più forti? Hanno avuto un effetto diverso da qualche altra parte?

R:Sì, abbiamo scoperto che esistevano per lo più lungo ea poche centinaia di chilometri dal percorso centrale della totalità. Sono stati visti per la prima volta negli Stati Uniti centrali, poi svaniti negli Stati Uniti centro-orientali. Furono in grado di viaggiare per circa un'ora ad una velocità di circa 300 metri al secondo, più lento della velocità dell'ombra della luna.

Gli scienziati di Haystack continueranno ad analizzare i dati atmosferici dell'eclissi e si aspettano di riportare presto altri risultati. La prossima grande eclissi in tutto il Nord America si verificherà nell'aprile 2024.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.