Quanta turbolenza c’è nel cielo!

I dati dallo spazio ci aiuteranno a capire come il fenomeno fisico della turbolenza nella ionosfera influenzi la propagazione dei segnali radio e l’accuratezza dei sistemi GPS.

del team INTENS-INGV*

Cos’è la turbolenza?

Sebbene nota dai tempi di Leonardo da Vinci, la turbolenza (dal latino “Turba” folla, disordine, confusione) rappresenta un problema non ancora risolto nell’ambito della fisica. Scientificamente, con il termine “turbolenza” si intende caratterizzare il moto irregolare e apparentemente casuale di un fluido. Da più di sei secoli i fisici cercano di carpire l’essenza della turbolenza che si manifesta nelle situazioni più svariate: a valle dell’incontro di un fiume con i piloni di un ponte, negli arabeschi formati dal fumo di una sigaretta o nelle volute del fumo che sale da un falò, nei ghirigori creati dal caffè versato in un bicchiere di latte, nel moto vorticoso delle masse nuvolose che siamo soliti vedere nelle immagini da satellite o nelle scie lasciate dagli aerei che continuamente solcano i nostri cieli.

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Esempi di dinamiche turbolente nei fluidi. A partire dall’alto e da sinistra: i) il flusso d’acqua di un torrente che incontra una rapida (credits: jatin_kumar, flickr.com); ii) volute di fumo di una sigaretta; iii) espansione di una “macchia” di latte nel caffè (credits: Connie_Ma, Flickr.com); iv) sotto, formazioni nuvolose a vortice (credits: Paul Chartier).
Perché è importante studiare la turbolenza nello spazio che circonda il nostro pianeta?

Anche il Sole, con la sua attività, può dar vita a una serie di fenomeni di carattere turbolento, che possono influire sull’uomo e più in generale sull’attività antropica. Il Sole, infatti, emette continuamente un flusso di particelle elettricamente cariche, il “vento solare” che, propagandosi nello spazio interplanetario, raggiunge anche il nostro pianeta e interagisce, in particolare, con il campo magnetico della Terra. Un’importante funzione del campo magnetico terrestre è proprio di proteggerci dal vento solare, deviandolo quanto più possibile; tuttavia una porzione di esso riesce a “scivolare” all’interno della cavità che tale campo racchiude (la “magnetosfera”, vedi anche il post “Uno scudo spaziale per il pianeta Terra“) e a raggiungere la ionosfera la quale è in parte composta, a sua volta, da particelle elettricamente cariche. L’interazione genera un complesso sistema di correnti elettriche e un ambiente fortemente instabile: i flussi di ioni ed elettroni finiscono per instaurare moti vorticosi molto simili a quelli che si osservano nelle acque di un torrente quando incontrano degli ostacoli lungo il loro cammino. I “vortici ionosferici” possono interferire con le radiotrasmissioni e con il sistema globale di navigazione satellitare (GNSS – Global Navigation Satellite System) utilizzato per la navigazione e il posizionamento preciso dei sistemi GPS (“Global Positioning System”) (vedi anche il post “Il GPS non funziona!).

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Il vento solare viene deflesso dal campo magnetico terrestre. Credits: blueplanetearth.it

Negli ultimi vent’anni la dipendenza della nostra società dal sistema globale di navigazione satellitare è notevolmente aumentata. L’aviazione e la marina utilizzano massivamente i servizi GNSS e ne dipendono, così come numerose applicazioni critiche: il controllo ferroviario, la gestione del traffico autostradale, l’agricoltura di precisione, la risposta alle emergenze. Anche molte attività quotidiane, come le operazioni bancarie, le operazioni di telefonia mobile, e il controllo delle reti elettriche, sono facilitate dal timing preciso fornito dal GPS. Poiché le infrastrutture critiche nazionali e l’economia sono sempre più dipendenti dai servizi di posizionamento, navigazione e temporizzazione, la società è vulnerabile alle interruzioni che possono derivare da particolari condizioni meteorologiche spaziali e che possono influenzare i sistemi tecnologici.

In questo quadro è perciò di fondamentale importanza capire nel dettaglio come e dove la turbolenza nella ionosfera si forma e si sviluppa, al fine di prevenire ed eventualmente mitigare possibili problemi legati alle comunicazioni radio e satellitari. Infatti, anche se la turbolenza è considerata ancora un problema aperto, per il quale non disponiamo di una teoria completa ed esaustiva, negli ultimi anni sono stati fatti molti passi avanti che hanno consentito di elaborare, tra l’altro, una teoria statistica della turbolenza superando in questo modo l’ostacolo posto dall’impredicibilità e caoticità del moto stesso.

L’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha recentemente finanziato un progetto innovativo di durata annuale per lo studio dei fenomeni legati alla turbolenza nella parte più alta dell’atmosfera terrestre – la ionosfera – che sarà portato avanti da un team internazionale di ricercatori guidati dall’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), e che comprende anche l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e il National Observatory of Athens (NOA).

Il progetto, denominato “characterisation of IoNospheric TurbulENce level by Swarm constellation” (INTENS), raccoglierà ed elaborerà i dati di campo magnetico, densità e temperatura elettronica acquisiti nell’arco di quattro anni dai tre satelliti della costellazione Swarm dell’ESA, che orbitano nella ionosfera ad una quota compresa tra i 400 e i 500 km. Ciò permetterà di fare chiarezza su alcuni aspetti che caratterizzano la turbolenza ionosferica e l’impatto di quest’ultima su alcuni dei fenomeni rilevanti per l’uomo e le sue attività.

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Le configurazioni orbitali dei tre satelliti Swarm dell’ESA. Credits: ESA–P. Carril, 2013

È la prima volta che un tale studio viene realizzato su un così vasto campione di misure in situ, utilizzando differenti quantità fisiche e consentendo uno studio a carattere sia locale che globale, e ringraziamo dunque ESA per questa meravigliosa opportunità.


Approfondimenti:

  1. In “Treccani – Enciclopedia della Scienza e della Tecnica (2007)” a cura di Roberto Benzi e Uriel Frisch, voce: “Turbolenza”.
  2. Space Weather Prediction Center, National Oceanic and Atmospheric Administration (USA), Education and Outreach.
  3. De Michelis P., G. Consolini, R. Tozzi et al., “Features of Magnetic Field Fluctuations in the Ionosphere at Swarm altitude”, Annals of Geophysics, 61, doi:10.4401/ag-7789, 2018.
  4. Giannattasio, F., P. De Michelis, G. Consolini et al., “Characterising the electron density fluctuations in the highlatitude ionosphere at Swarm altitude in response to the geomagnetic activity”, Annals of Geophysics, 61, doi:10.4401/ag-7716, 2018.

*Il team INTENS-INGV: Paola De Michelis (Project Manager), Igino Coco, Fabio Giannattasio, Silvia Pau, Michael Pezzopane, Roberta Tozzi.