Marco Ferrari, Focus 12/2016, 17 gennaio 2017
UN MISTERO D’ATMOSFERA
Avreste detto che nel cielo sopra di noi, a poche decine di chilometri dal suolo, c’è una zona di cui non sappiamo quasi nulla? Invece è così, tanto che alcuni scienziati chiamano scherzosamente questa porzione dell’atmosfera, tra 50 e 300 km di altezza, “ignorosfera”. Eppure si tratta di una zona ricca di fenomeni interessanti, popolata da nubi luminose e da improvvisi lampi rosso fuoco, da getti azzurrini e da meteore. Possiamo immaginare l’atmosfera come una cipolla, fatta a strati. In termini più tecnici, allora, l’ignorosfera comprende la mesosfera (che va da 50 a 80 km) e la parte bassa della termosfera (che da 80 arriva a 700-800 km di quota).
NÉ ALTA, NÉ BASSA. Perché conosciamo così poco di cosa accade là sopra, tutto sommato quasi dietro l’angolo? Prima di tutto, sembrava poco interessante occuparsene: «La mesosfera, in particolare, ha una massa così modesta che si supponeva che la sua influenza sul resto dell’atmosfera fosse quasi nulla», dice Enrico Arnone, esperto che se ne è occupato al Cnr. «Ma da qualche anno ci sono prove che si tratta di una zona interessante». E poi perché l’ignorosfera è difficile da studiare. A quelle quote l’atmosfera è troppo rarefatta per aerei o palloni, che hanno bisogno dell’aria per sostenersi in volo. E anche i satelliti lì non sono a proprio agio, perché comunque l’atmosfera residua è abbastanza densa da “fare attrito” e comprometterne il volo: un po’ alla volta finirebbero per perdere quota e disintegrarsi. Per raccogliere dati nell’ignorosfera bisogna, quindi, inventarsi qualcosa di diverso. Ma perché farlo? Ci sono molte ragioni: per esempio, lo studio del suo strano comportamento.
Nella mesosfera si raggiungono le temperature più basse dell’intero pianeta, fino a -100 °C, mentre appena sopra, nella termosfera, si sale a molte centinaia di gradi. Un’inversione che va contro il senso comune: quando si sale in alto, per esempio in montagna, è ben chiaro che la temperatura si abbassa con regolarità con la quota. Il gelo della mesosfera si spiega con la rarefazione dell’atmosfera (ci sono poche molecole che assorbono il calore del Sole e riscaldano l’aria circostante) e con la presenza di anidride carbonica. La CO2, infatti, abbassa la temperatura perché riemette nello spazio parte della radiazione infrarossa, che trasporta calore, proveniente dal Sole. Ma all’opposto poco più sopra, nella termosfera, i pochi atomi presenti si riscaldano assorbendo del tutto i raggi X e gli Uv più energetici che provengono dal Sole, e che quindi non arrivano più in basso.
NUBI LUMINOSE. E poi, nell’ignorosfera... c’è spettacolo. Per esempio, è nella mesosfera che hanno origine le meteore, cioè le stelle cadenti: le scie luminose che attraversano il cielo notturno quando particelle minuscole provenienti dallo spazio si disintegrano a contatto con l’aria. E sempre da quelle parti, tra i 75 e gli 85 km di quota, si formano le nubi nottilucenti. Che invece sono suggestive formazioni studiate per la prima volta nel 1885, due anni dopo una delle più grandi eruzioni della storia recente, quella del vulcano Krakatoa, in Indonesia. Sono, come dice il nome, nubi che si vedono di notte e che risplendono. Costituite da cristalli di ghiaccio grandi meno di 80-100 milionesimi di millimetro, si vedono soprattutto in estate, tra 50° e 70° a nord e a sud dell’Equatore. «Osservandole, possiamo capire le condizioni in quella parte dell’atmosfera», dice Arnone. «E si parla spesso del fatto che potrebbero essere legate ai cambiamenti climatici». Ecco un altro motivo, forse il principale, per cui vogliamo sapere di più su quel guscio di atmosfera: potrebbe essere una spia importante delle condizioni del pianeta. La presenza, l’estensione e la brillantezza delle nubi nottilucenti sono infatti aumentate negli ultimi 40 anni, insieme all’incremento della temperatura indotto dall’uomo. Secondo i fisici, queste nubi sono sensibili, infatti, ai cambiamenti degli strati più bassi dell’atmosfera, dove appunto il riscaldamento è rilevante. Quando la temperatura e il vapore acqueo aumentano, le nubi nottilucenti si intensificano. «La mesosfera ha una risposta molto rapida al riscaldamento globale. È un termometro perfetto», sottolinea Arnone.
GLI SPIRITELLI. Gli spettacoli luminosi dell’ignorosfera non si fermano qui. Vi accadono altri fenomeni, rari ed effimeri. I cui nomi inglesi si accostano più ai romanzi di Tolkien che alla scienza: sprite (spiritelli), elves (elfi) ecc. Prendiamo i più famosi, gli sprite. «Sono fenomeni elettrici classificati come “eventi luminosi transienti”», precisa Arnone. In pratica si tratta di lampi di luce rossa che si estendono verso l’alto al di sopra delle nubi temporalesche, ma anche con lunghi filamenti verso il basso. Ma non sperate di vederli da terra. Per quanto meravigliosi durano pochissimo, una frazione di secondo; per questo sono stati catturati in un’immagine per la prima volta solo nel 1989. «Hanno a che fare con i fulmini, nel senso che sono scariche elettriche, anche se in media si verifica soltanto uno sprite ogni mille fulmini. Arrivano fino a 80-90 km di quota. Le loro emissioni, anche se molto deboli, interessano aree vastissime», spiega Arnone.
Tra gli 80 e i 105 km, infine, “galleggia” un altro mistero scientifico: uno strato di sodio, spesso circa 5 chilometri. Gli atomi che lo compongono hanno un’origine intrigante: provengono dal materiale che “evapora” dai meteoriti che cadono sulla Terra. E quando il sodio si “eccita”, a causa della luce solare o delle particelle che arrivano dalla nostra stella, emette una radiazione gialla che va a comporre la luminescenza notturna: una luce debolissima che avvolge tutto il pianeta e grazie alla quale il cielo di notte non è mai del tutto buio. Dalle nostre città inquinate dalle luci non ce ne rendiamo conto, ma limita l’efficienza dei grandi telescopi professionali.
MISSIONI. Come pensiamo di studiare tutto questo? Il rinnovato interesse per l’ignorosfera sta facendo nascere numerose missioni. Sul fronte Nasa è in programma il lancio di due satelliti, Icon e Gold, tra il 2017 e il 2018. Il primo dovrebbe scoprire che cosa accade negli strati sopra la mesosfera, dove le particelle cariche presenti (tra i 60 e i 1.000 km di quota, per complicare le cose, si parla anche di “ionosfera”) influenzano le trasmissioni radio. Gold, invece, avrà uno strumento sensibile alla radiazione ultravioletta, per misurare densità e temperature dei gas della termosfera. L’Europa, sempre nel 2017, risponderà con Asim, dedicato proprio ai fenomeni luminosi transienti. Il problema è che tutti questi satelliti faranno misure... a distanza: Icon da una quota di 580 km, Gold addirittura da un’orbita geostazionaria (a 36mila km) mentre Asim andrà sulla Stazione spaziale, a 400 km.
A CAPOFITTO. Per entrare direttamente nella zona “calda” si ipotizza allora di inviare una navicella per voli suborbitali con equipaggio: è il progetto Possum. Ancora futuribile, se consideriamo che, a parte il caso della navicella SpaceShipOne di Virgin Galactic (che in un prossimo futuro vorrebbe rendere accessibile questo tipo di volo a turisti paganti), da quasi cinquant’anni nessuno effettua più voli suborbitali, che raggiungono una quota di circa 100 km. Più concretamente il progetto QB50 si propone di entrare nell’ignorosfera con una serie di piccolissimi satelliti... in caduta libera. «QB50 nasce da un’idea del nostro istituto, per soddisfare la richiesta degli scienziati di fare misure nella termosfera sotto i 300 km», dice Davide Masutti, ricercatore italiano al Von Karman Institute, in Belgio. «L’idea è di far volare dei cubesat, minisatelliti di 2-3 kg, grandi 20x10x10 cm, meno di una scatola da scarpe». E poiché sono relativamente economici, di inviarne ben 50. Anche la missione stessa sarà originale: i minisatelliti si tufferanno nella termosfera il prossimo anno dopo essere stati “buttati” giù dalla Stazione spaziale. Cadranno verso la Terra, raccogliendo dati fino a 60 km di quota, dove bruceranno. Un sacrificio necessario per far sì che l’ignorosfera non resti ancora tale a lungo.