Un’immagine dell’aurora boreale sopra Bloomington, Indiana. Gli scienziati giapponesi hanno creato il primo dataset a lungo termine sull’intera atmosfera terrestre, fino allo spazio. Sperano che il progetto possa far luce su alcuni processi poco esplorati che avvengono all’interno del manto gassoso del nostro pianeta, inclusa la magnifica aurora boreale. Alcune parti dell’atmosfera terrestre sono studiate continuamente in dettaglio incredibile. Ad esempio, milioni di stazioni meteorologiche in tutto il mondo, centinaia di palloni meteorologici e innumerevoli aerei forniscono misurazioni giornaliere dell’intera troposfera, la regione più bassa dell’atmosfera. I palloni raggiungono anche la parte inferiore della stratosfera, lo strato sopra la troposfera. La quantità di dati generati da queste misurazioni è così alta che rende i modelli meteorologici computazionali moderni quasi infallibili. Guardando un po’ più in alto, tuttavia, la storia è completamente diversa. La mesosfera, lo strato di aria rarefatta sopra la stratosfera che arriva quasi al bordo dello spazio, è molto poco conosciuta. Si sa così poco sui processi nella mesosfera che la regione è talvolta chiamata “ignorosfera”. Questo vuoto nella nostra conoscenza è il risultato dell’inaccessibilità dell’ignorosfera: è troppo alta per i palloni stratosferici e generalmente troppo bassa per gli strumenti sui satelliti in orbita terrestre bassa.
Un team di ricercatori dell’Università di Tokyo ha tentato di risolvere il problema utilizzando la modellazione computerizzata. Hanno preso le rare misurazioni disponibili dei parametri meteorologici nell’ignorosfera — ottenute da razzi sonda e strumenti radar e lidar basati a terra — e le hanno inserite in un nuovo sistema di assimilazione dei dati che avevano sviluppato in precedenza. L’assimilazione dei dati è una tecnica che combina la modellazione con osservazioni dirette per prevedere l’evoluzione di un sistema. Il sistema è stato quindi istruito a ricostruire ciò che potrebbe accadere all’interno della mesosfera per colmare le lacune. I ricercatori giapponesi hanno utilizzato il modello per generare 19 anni di dati che coprono l’evoluzione dell’intera atmosfera fino all’altitudine di 110 chilometri. Hanno poi utilizzato misurazioni aggiuntive dei venti mesosferici ottenute da radar a terra per verificare alcuni parametri nel modello e acquisire fiducia nei suoi risultati.
Il dataset copre il periodo tra settembre 2004 e dicembre 2023 e permetterà ai ricercatori di esplorare e modellare alcuni dei fenomeni misteriosi che avvengono a quote più elevate, inclusa l’affascinante aurora boreale e la sua controparte antipodale, l’aurora australis. “Per la troposfera e la stratosfera, abbiamo molti dati e la modellazione numerica per questa regione è quasi perfetta,” ha detto Kaoru Sato, professore di fisica atmosferica all’Università di Tokyo e ricercatore principale del progetto. “Nella regione sopra, i modelli non funzionano altrettanto bene perché non hanno dati accurati delle condizioni iniziali. Il nostro dataset può fornire questo.”
L’ignorosfera è la regione atmosferica dove si verificano molti effetti legati al meteo spaziale. Quando esplosioni di particelle cariche dal sole colpiscono il nostro pianeta, si mescolano con i gas rarefatti in alto sopra la Terra, eccitando le molecole d’aria. Quando ciò accade, le molecole emettono il bagliore affascinante che possiamo osservare sulla Terra come le aurore. Ma ci sono altri effetti, meno visibili, che il meteo spaziale ha sull’atmosfera. “Le particelle solari ad alta energia possono cambiare la chimica dell’ozono e disturbare lo strato di ozono,” ha detto Sato. “Sappiamo anche che il fenomeno dell’aurora può creare quelle che chiamiamo onde di gravità, che poi si propagano verso il basso nell’atmosfera.”
Le onde di gravità (da non confondere con le onde gravitazionali prodotte da collisioni di buchi neri, tra altri incontri drammatici) sono vortici che si verificano in tutta l’atmosfera. Trasportano energia in tutto il globo, influenzando così i modelli climatici. Finora, tuttavia, i modellatori climatici non sono stati in grado di comprendere gli effetti delle onde di gravità che si verificano a quote più elevate. “Il nostro dataset fornisce condizioni iniziali ad altissima risoluzione per il modello di circolazione generale dell’atmosfera,” ha detto Sato. “Quindi, ci permette di simulare le onde di gravità in tutta l’atmosfera, dalla superficie al bordo dello spazio.”
I dati aiuteranno anche i ricercatori a modellare meglio come i processi nell’atmosfera inferiore influenzano la ionosfera, la parte dell’atmosfera sopra altitudini di 80 km, dove le particelle gassose sono costantemente ionizzate dal vento solare. Sato ha detto che le onde atmosferiche, incluse le onde di gravità e le onde di marea su scala globale, influenzano la dinamo ionosferica, un processo che genera una corrente elettrica intorno al pianeta attraverso l’interazione tra le linee del campo magnetico terrestre e i movimenti dell’aria ionizzata della ionosfera.
Ci sono altri misteri che i ricercatori sperano che il loro dataset aiuti a risolvere — ad esempio, il fenomeno strano noto come accoppiamento inter-emisferico, osservato per la prima volta alla fine degli anni 2000. L’accoppiamento inter-emisferico è una connessione presunta tra la mesosfera antartica e la stratosfera artica, in cui rare nubi ad alta quota appaiono e scompaiono regolarmente allo stesso tempo, di solito nel mese di gennaio, ha detto Sato. “Se vogliamo capire i meccanismi dietro questo accoppiamento inter-emisferico, abbiamo bisogno di dati,” ha detto Sato. “Il nostro dataset può fornire informazioni molto preziose per affrontare questo accoppiamento.”
Un articolo che descrive il lavoro svolto dal team giapponese è stato pubblicato sulla rivista Progress in Earth and Planetary Science il 10 gennaio.