Molto al di sopra della Terra, sottili veli di foschia metallica fluttuano ai margini dello spazio. Note come strati E sporadici, queste “nubi” d’alta quota si formano dalla polvere vaporizzata delle meteore bruciate nell’atmosfera, e devono il loro nome al modo imprevedibile in cui compaiono e poi si dissolvono. Ora, nuovi risultati ottenuti da un razzo sonda della NASA — un razzo di ricerca suborbitale — che ha fatto volare simultaneamente cinque rivelatori attraverso uno di questi strati rivelano per la prima volta la complessità inattesa dello strato.
Sebbene invisibili a occhio nudo, gli strati E sporadici rendono nota la loro presenza attraverso i segnali radio dai quali dipendiamo per le comunicazioni a lunga distanza. Quando sono presenti, gli strati E sporadici possono far rimbalzare questi segnali in direzioni imprevedibili, rendendo temporaneamente inaffidabile la tecnologia.
Gli scienziati cercano da tempo di comprendere più a fondo queste nubi che disturbano le comunicazioni radio, ma fino a poco tempo fa potevano campionarle soltanto in una sottile sezione alla volta. Il razzo, chiamato sporadic E Electrodynamics Demonstration, o in breve SpEED Demon, è stato lanciato dal NASA’s Wallops Flight Facility in Virginia il 24 agosto 2022 e ha fornito la prima osservazione simultanea e multipunto all’interno di uno strato E sporadico. I suoi risultati, ottenuti da un gruppo 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 40 miglia (60 chilometri) di quota, dove i gas neutri cominciano a trasformarsi in plasma, cioè gas ionizzato. Alcune delle particelle presenti provengono dalle meteore, che bruciano nell’atmosfera lasciando tracce di ferro, magnesio e altri metalli. Talvolta questi metalli si aggregano in dense formazioni simili a nubi — gli strati E sporadici — che riflettono le onde radio.
Un’illustrazione animata mostra la formazione degli strati E sporadici nelle porzioni inferiori della ionosfera, dove fanno riflettere i segnali radio verso la Terra prima che raggiungano gli strati più alti della ionosfera. NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab
“Gli strati E sporadici sono, in un certo senso, giganteschi specchi per le onde a radiofrequenza nel cielo”, ha detto Aroh Barjatya, principale responsabile scientifico della missione e professore di fisica dell’ingegneria presso la Embry-Riddle a Daytona Beach, in Florida.
Quando si forma uno strato E sporadico, i segnali destinati a viaggiare verso lo spazio possono rimbalzare nuovamente verso il suolo. I controllori del traffico aereo e gli utenti delle radio marittime possono captare trasmissioni lontane come se fossero vicine, mentre i radar che effettuano scansioni oltre l’orizzonte possono registrare i cosiddetti “fantasmi”, o bersagli falsi. Gli effetti raggiungono anche la tecnologia di uso quotidiano.
“La principale fonte di errore del GPS del vostro telefono, per esempio, è il plasma presente nella ionosfera, e gli strati E sporadici possono contribuire a questa incertezza”, ha detto Henry Valentine, autore principale dello studio, che ha svolto il lavoro presso la Embry-Riddle e ora è ricercatore presso il U.S. Naval Research Laboratory.
Poiché gli strati E sporadici si trovano a circa 60 miglia (100 chilometri) di quota — troppo in alto per i palloni meteorologici e troppo in basso per i satelliti — e si formano e dissolvono in modo imprevedibile, da tempo sono terreno di ricerca dei razzi sonda, che possono essere lanciati con breve preavviso per intercettarne uno mentre si forma. Tuttavia, un singolo razzo segue un singolo percorso e raccoglie misurazioni soltanto lungo una linea. Barjatya paragona la situazione all’osservazione di una scena attraverso una fessura in un muro. Si può osservare soltanto ciò che accade lungo quella stretta apertura, perdendo il contesto cruciale di quanto avviene a sinistra o a destra del proprio campo visivo.
La missione SpEED Demon ha cambiato le cose. È stata la prima missione a dispiegare all’interno di uno strato E sporadico sonde espellibili, chiamate dropsonde. Una volta all’interno, il razzo ha rilasciato quattro dropsonde, che si sono allontanate dal carico utile principale e l’una dall’altra; ciascuna ha misurato il plasma lungo la propria traiettoria e trasmesso le misurazioni alle stazioni a terra. Insieme al carico utile principale, le sonde hanno campionato lo strato in un totale di cinque punti nello stesso momento.
Il gruppo della missione SpEED Demon posa con la sezione del carico utile durante i test presso il NASA’s Wallops Flight Facility. NASA Wallops/Berit Bland
“Ora, grazie a più sensori, abbiamo trasformato quella fessura in una staccionata”, ha detto Barjatya.
I dati hanno rivelato una complessità sorprendente all’interno dello strato E sporadico. Invece di una superficie uniforme e densa, simile a una frittella, composta da 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 unico strato netto di densità, ma ciò che abbiamo osservato nel nostro caso è che interagisce con il vento neutro e con queste turbolenze atmosferiche vorticose”, ha detto Valentine. “Più che a una frittella piatta, assomiglia a un rotolo alla cannella.”
Durante la discesa, lo strato si è persino diviso in due picchi distinti. Il gruppo ha scoperto che quella forma era coerente con una modulazione prodotta dalle ondulazioni di Kelvin-Helmholtz, l’instabilità ondulatoria e ricurva che genera configurazioni simili a onde frangenti nelle nubi ordinarie. Poiché il volo non è riuscito a misurare direttamente i venti locali e i campi elettrici, i ricercatori sono cauti e definiscono plausibile, ma non confermata, la spiegazione basata sulle ondulazioni.
La missione SpEED Demon era stata progettata come dimostrazione tecnologica: un test per verificare se la tecnica delle dropsonde avrebbe funzionato. Ha funzionato, e il gruppo si è affrettato ad applicarla nuovamente. Il gruppo di Barjatya ha utilizzato una strategia simile, basata su più sonde, per lanciare razzi lungo le traiettorie dell’eclissi anulare dell’ottobre 2023 e dell’eclissi solare totale dell’aprile 2024, studiando il modo in cui l’oscurità improvvisa disturbava l’alta atmosfera. Nel giugno 2025 hanno fatto volare il discendente più diretto di SpEED Demon, Sporadic-E ElectroDynamics, o SEED, negli strati E sporadici dall’atollo di Kwajalein, nelle Isole Marshall, studiandoli a latitudini inferiori. Gli articoli relativi a quelle missioni sono in preparazione.
Il lancio di un razzo sonda per testare strumenti scientifici destinati a missioni future è stato completato con successo alle 21:16 EDT del 23 agosto 2022, dal NASA Wallops Flight Facility in Virginia. NASA
Dopo anni di studio, gli strati E sporadici non sono più imprevedibili come un tempo. “Presentano una stagionalità, con la massima frequenza di occorrenza durante l’estate locale”, ha detto Barjatya.
Le domande su come e quando si formino stanno diventando sempre più dettagliate. La nuova metodologia basata su sensori multipunto dispiegabili a bordo di razzi, insieme alle misurazioni da terra, probabilmente contribuirà a completare ulteriormente il quadro. “La comunità scientifica nel suo complesso è ormai nelle fasi finali della piena comprensione di questi giganteschi specchi per le radiofrequenze nel cielo”, ha detto Barjatya.
Di Miles Hatfield
NASA’s Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland
Informazioni sull’autore
Miles Hatfield
Avviso: i risultati si basano su una missione dimostrativa iniziale e alcune spiegazioni sono plausibili ma non ancora confermate; sono necessarie ulteriori misure e repliche.
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Fonte originale: science.nasa.gov
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