Uno strato denso di molecole e particelle cariche elettricamente, chiamato ionosfera, è sospeso nell'atmosfera superiore della Terra a partire da circa 35 miglia (60 chilometri) sopra la superficie del pianeta e si estende oltre 620 miglia (1.000 km). La radiazione solare proveniente da sopra le particelle di buffet sospese nello strato atmosferico. I segnali radio dal basso rimbalzano via la ionosfera verso gli strumenti a terra. Laddove la ionosfera si sovrappone ai campi magnetici, il cielo esplode in schermi di luce brillante che sono incredibili da vedere.
Dov'è la ionosfera?
Diversi strati distinti compongono l'atmosfera terrestre, tra cui la mesosfera, che inizia 31 miglia (50 km) e la termosfera, che inizia a 53 miglia (85 km). La ionosfera è composta da tre sezioni all'interno della mesosfera e della termosfera, etichettate con gli strati D, E e F, secondo il UCAR Center for Science Education.
Le radiazioni ultraviolette estreme e i raggi X del sole bombardano queste regioni superiori dell'atmosfera, colpendo gli atomi e le molecole contenute in quegli strati. La potente radiazione rimuove elettroni carichi negativamente dalle particelle, alterando la carica elettrica di quelle particelle. La nuvola risultante di elettroni liberi e particelle cariche, chiamate ioni, portò al nome "ionosfera". Il gas ionizzato, o plasma, si mescola con l'atmosfera più densa e neutra.
La concentrazione di ioni nella ionosfera varia con la quantità di radiazione solare che scende sulla Terra. La ionosfera diventa densa di particelle cariche durante il giorno, ma quella densità diminuisce di notte quando le particelle cariche si ricombinano con elettroni spostati. Interi strati della ionosfera appaiono e scompaiono durante questo ciclo quotidiano, secondo la NASA. Anche la radiazione solare oscilla per un periodo di 11 anni, il che significa che il sole può emettere più o meno radiazioni a seconda dell'anno.
I bagliori solari esplosivi e le raffiche di vento solare suscitano improvvisi cambiamenti nella ionosfera, collaborando con venti di alta quota e sistemi meteorologici severi che si propagano sulla Terra sottostante.
Illumina i cieli
La superficie rovente del sole espelle flussi di particelle molto cariche e questi flussi sono noti come vento solare. Secondo il Marshall Space Flight Center della NASA, il vento solare vola attraverso lo spazio a circa 40 km al secondo. Dopo aver raggiunto il campo magnetico terrestre e la ionosfera sottostante, i venti solari hanno innescato una colorata reazione chimica nel cielo notturno chiamata aurora.
Quando i venti solari frustano sulla Terra, il pianeta rimane protetto dietro il suo campo magnetico, noto anche come magnetosfera. Generata agitando il ferro fuso nel nucleo della Terra, la magnetosfera invia una radiazione solare verso i due poli. Lì, le particelle cariche si scontrano con sostanze chimiche che turbinano nella ionosfera, generando le aurore che incantano.
Gli scienziati hanno scoperto che il proprio campo magnetico del sole schiaccia il più debole della Terra, spostando le aurore verso il lato notturno del pianeta, come riportato da Popular Mechanics.
Vicino al circolo polare artico e antartico, le aurore attraversano il cielo ogni notte, secondo il National Geographic. Le colorate tende di luce, note rispettivamente come aurora boreale e aurora australis, pendono circa 620 miglia (1.000 km) sopra la superficie terrestre. Le aurore si illuminano di verde-giallo quando gli ioni colpiscono particelle di ossigeno nella bassa ionosfera. La luce rossastra fiorisce spesso lungo i bordi delle aurore, e anche il viola e il blu compaiono nel cielo notturno, sebbene ciò accada raramente.
"La causa dell'aurora è in qualche modo nota, ma non è del tutto risolta", ha dichiarato Toshi Nishimura, geofisico dell'Università di Boston. "Ad esempio, ciò che provoca un particolare tipo di colore dell'aurora, come il viola, è ancora un mistero."
Chi è Steve?
Oltre alle aurore, la ionosfera ospita anche altri impressionanti spettacoli di luci.
Nel 2016, i cittadini scienziati hanno notato un fenomeno particolarmente accattivante, che gli scienziati hanno faticato a spiegare, in precedenza Space.com, sito gemellato di Live Science. Fiumi luminosi di luce bianca e rosata fluivano sul Canada, che è più a sud di quanto appaiano la maggior parte delle aurore. Occasionalmente, tratti di verde si univano al mix. Le misteriose luci furono chiamate Steve in omaggio al film d'animazione "Over the Hedge" e in seguito furono ribattezzate come "Strong Thermal Emission Velocity Enhancement" - ancora STEVE in breve.
"Abbiamo studiato l'aurora per centinaia di anni e non siamo riusciti, e ancora non possiamo, a spiegare cosa sia Steve", ha dichiarato Gareth Perry, scienziato meteorologico spaziale presso il New Jersey Institute of Technology. "È interessante perché le sue emissioni e proprietà sono diverse da qualsiasi altra cosa osserviamo, almeno con l'ottica, nella ionosfera."
Secondo uno studio del 2019 sulla rivista Geophysical Research Letters, le strisce verdi all'interno di STEVE potrebbero svilupparsi in modo simile a come si formano le aurore tradizionali, mentre le particelle cariche piovono sull'atmosfera. In STEVE, tuttavia, il fiume di luce sembra brillare quando le particelle all'interno della ionosfera si scontrano e generano calore tra loro.
Comunicazione e navigazione
Sebbene le reazioni nella ionosfera dipingano il cielo con tonalità brillanti, possono anche interrompere i segnali radio, interferire con i sistemi di navigazione e talvolta causare blackout di potenza diffusi.
La ionosfera riflette le trasmissioni radio al di sotto di 10 megahertz, consentendo ai militari, alle compagnie aeree e agli scienziati di collegare sistemi radar e di comunicazione su lunghe distanze. Questi sistemi funzionano meglio quando la ionosfera è liscia, come uno specchio, ma possono essere interrotti da irregolarità nel plasma. Le trasmissioni GPS passano attraverso la ionosfera e quindi presentano le stesse vulnerabilità.
"Durante grandi tempeste geomagnetiche o eventi meteorologici spaziali, le correnti possono indurre altre correnti nel terreno, reti elettriche, condutture, ecc. E provocare il caos", ha detto Perry. Una di queste tempeste solari ha causato il famoso blackout del Quebec del 1989. "Trenta anni dopo, i nostri sistemi elettrici sono ancora vulnerabili a tali eventi".
Gli scienziati studiano la ionosfera usando radar, telecamere, strumenti satellitari e modelli di computer per comprendere meglio le dinamiche fisiche e chimiche della regione. Armati di questa conoscenza, sperano di prevedere meglio le interruzioni nella ionosfera e prevenire i problemi che possono causare sul terreno sottostante.
