L’attività solare può far perdere la rotta ai satelliti, aumentando il rischio di collisioni. Gli scienziati sperano che il miglioramento dei modelli atmosferici sia d’aiuto.
Tzu-Wei Fang ricorderà per sempre il 3 febbraio 2022. Era un giovedì appena dopo il Giorno della Marmotta (che si celebra negli Stati Uniti il 2 febbraio) e Fang, un fisico nato a Taiwan, stava analizzando le immagini satellitari di una nube di particelle cariche che era esplosa dal Sole. La nube in arrivo era un’espulsione di massa coronale, o CME, in sostanza una massiccia esplosione di plasma magnetizzato proveniente dall’atmosfera superiore del Sole. Assomigliava a decine di CME simili che colpiscono la Terra ogni anno e che di solito rendono nota la loro presenza soprattutto attraverso ipnotici spettacoli di luce polare.
“La CME non era affatto significativa”, afferma Fang, che ha analizzato i dati in arrivo dal suo ufficio presso la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) di Boulder, in Colorado.
Ma cinque giorni dopo, Fang ha scoperto che la CME non era così innocua come sembrava. Proprio mentre la nube di plasma si dirigeva verso il pianeta, un razzo SpaceX Falcon 9 stava partendo da una rampa di lancio del Kennedy Space Center in Florida con 49 nuovi satelliti Starlink.
La CME ha riscaldato i gas tenui dell’atmosfera superiore della Terra, facendola gonfiare e spingendo verso l’alto gli strati inferiori più densi. Quando i satelliti sono stati sganciati dal loro razzo, hanno lottato contro un mezzo inaspettatamente denso. Con i propulsori troppo deboli per spingerli verso un’orbita più alta e sicura, 38 di loro sono tornati a spirale verso la Terra.
Gli scienziati sapevano da tempo che l’attività solare può modificare la densità dell’atmosfera superiore, quindi il fatto che sia successo non è stata una sorpresa. Ma l’incidente di Starlink ha evidenziato una grande lacuna nelle capacità: i ricercatori non erano in grado di prevedere con precisione i tipi di cambiamenti di densità che una determinata quantità di attività solare avrebbe prodotto. E non avevano un buon modo per trasferire questi cambiamenti in previsioni su come le traiettorie dei satelliti sarebbero state influenzate.
La necessità di migliorare le previsioni si faceva sempre più urgente. Un nuovo ciclo solare aveva appena iniziato a rafforzarsi dopo un prolungato periodo di quiete e il Sole stava emettendo molti più brillamenti solari e CME di quanti ne avesse mai avuti negli ultimi anni. Allo stesso tempo, il numero di satelliti in orbita attorno al pianeta era cresciuto di sette volte rispetto all’ultimo picco solare. I ricercatori sapevano che una potente tempesta solare avrebbe potuto rendere le condizioni nello spazio vicino alla Terra così imprevedibili da rendere impossibile stabilire se gli oggetti fossero in rotta di collisione. E questo era preoccupante. Uno scontro frontale tra due grandi veicoli spaziali può creare migliaia di frammenti di detriti fuori controllo che potrebbero rimanere in orbita per anni, rendendo lo spazio ancora più difficile da navigare per gli operatori.
L’evento Starlink si è rivelato il catalizzatore di cui la comunità aveva bisogno. Nelle settimane successive, Fang, che stava lavorando a un modello dell’atmosfera superiore, ha avviato una collaborazione con SpaceX per ottenere più dati sulla velocità e sulla traiettoria delle migliaia di satelliti della costellazione. Si è trattato di una fonte di informazioni senza precedenti che sta permettendo agli scienziati di migliorare i loro modelli su come l’attività solare influisce sull’ambiente nell’orbita terrestre bassa. Allo stesso tempo, altri ricercatori stanno lavorando per collegare meglio il modello dell’aria rarefatta in questa parte dell’atmosfera con le traiettorie dei satelliti che la attraversano.
Se Fang e i suoi colleghi riusciranno nel loro intento, saranno in grado di mantenere i satelliti al sicuro anche in condizioni di turbolenza spaziale, riducendo il rischio di collisioni orbitali potenzialmente catastrofiche.
Il caos meteorologico solare
Le CME colpiscono la Terra dall’inizio dei tempi. Ma fino all’avvento dell’elettricità, le loro uniche conseguenze osservabili erano le spettacolari luci polari.
Le cose cambiarono nel 1859 con l’Evento Carrington, la CME più energetica che abbia colpito la Terra nella storia registrata. Quando questo tsunami di plasma magnetizzato colpì l’atmosfera terrestre, mandò in tilt le reti telegrafiche di tutto il mondo. Gli impiegati videro le loro apparecchiature emettere scintille e in alcuni casi ricevettero scosse elettriche.
L’era dei satelliti ha sperimentato finora solo una grande tempesta geomagnetica. Soprannominata la tempesta di Halloween perché ha colpito la Terra nell’ultima settimana di ottobre del 2003, la CME ha colpito quasi il 60% delle missioni spaziali della NASA in orbita in quel momento, secondo un’indagine successiva della NOAA. Un veicolo spaziale giapponese per l’osservazione della Terra perse il contatto con la Terra, senza mai più riprenderlo, con l’elettronica molto probabilmente fritta dall’assalto delle particelle solari cariche.
Thomas Berger, oggi direttore dello Space Weather Technology, Research and Education Center dell’Università del Colorado Boulder, all’epoca era un giovane scienziato di meteorologia spaziale. Ricorda il ronzio della gente per la perdita di traccia dei satelliti.
A differenza degli aerei, i satelliti non sono costantemente osservati dai radar in tempo reale. Le loro probabili traiettorie sono calcolate con giorni di anticipo, sulla base di osservazioni ripetute da parte di una manciata di radar spaziali a terra e di sensori ottici sparsi in tutto il mondo. Quando le condizioni spaziali riscaldano le zone alte dell’atmosfera, l’aumento di densità manda in tilt queste previsioni e gli operatori possono impiegare un po’ di tempo per ritrovare i satelliti.
“Dopo la tempesta di Halloween del 2003, l’intero assetto satellitare era fuori strada”, spiega Berger. “Ci sono voluti tre giorni di operazioni di emergenza per localizzare e rintracciare nuovamente tutti questi oggetti. Alcuni dei satelliti si trovavano decine di chilometri al di sotto della loro orbita abituale e forse a mille chilometri di distanza dalla loro posizione prevista”.
Quando non sappiamo dove si trovano i satelliti – e i frammenti di detriti spaziali – è più di un inconveniente. Significa che gli operatori non possono più fare previsioni su potenziali collisioni, eventi che possono non solo distruggere i satelliti ma anche creare migliaia di nuovi pezzi di detriti spaziali, creando rischi a cascata per altri satelliti.
La tempesta di Halloween è fortunatamente passata senza incidenti orbitali. Ma la prossima volta gli operatori satellitari potrebbero non essere così fortunati.
Dal 2003 sono cambiate molte cose nello spazio vicino alla Terra. Il numero di satelliti attivi in orbita attorno al nostro pianeta è passato dagli 800 di allora agli oltre 9.000 di oggi, e l’orbita terrestre bassa è quella che ha visto il maggior incremento di traffico. Anche la quantità di spazzatura spaziale è cresciuta. Vent’anni fa, la rete di sorveglianza spaziale degli Stati Uniti ha monitorato circa 11.000 detriti. Oggi, secondo la NASA, tiene d’occhio più di 35.000 oggetti. Con un numero così elevato di oggetti che sfrecciano intorno alla Terra, sono necessarie molte più manovre di prevenzione delle collisioni per mantenere la sicurezza.
Ed è solo questione di tempo prima che la Terra venga colpita da CME più grandi. La tempesta di Halloween è stata decine di volte più potente dell’evento “insignificante” che ha condannato i satelliti Starlink. Eppure aveva solo un decimo dell’energia dell’evento di Carrington. Il caos orbitale, per non parlare di quello a terra, potrebbe certamente peggiorare.
Estendere le previsioni meteorologiche nello spazio
Sei mesi prima di quel fatidico Giorno della Marmotta, Fang aveva accettato un lavoro presso lo Space Weather Prediction Center della NOAA per lavorare a una nuova simulazione delle parti più esterne dell’atmosfera terrestre.
Il modello su cui lavorava, il sistema di previsione Whole Atmosphere Model and Ionosphere Plasmasphere Electrodynamics (WAM-IPE), è un’estensione dei modelli che i meteorologi della NOAA utilizzano per le previsioni del tempo sulla Terra, solo ad altitudini molto più elevate.
La maggior parte dei satelliti in orbita terrestre bassa viaggia nel secondo strato più alto dell’atmosfera, una regione chiamata termosfera, piena di atomi dispersi di ossigeno, azoto ed elio. Le onde invisibili che salgono dalla mesosfera, lo strato atmosferico sottostante, spingono sulla termosfera, provocando venti a velocità da uragano. Ma poiché l’aria nella termosfera è così sottile, i satelliti che vi orbitano se ne accorgono appena. Le cose cambiano quando arriva il maltempo spaziale. Nel giro di un’ora, la densità di quest’aria sottile può aumentare di molte volte e i suoi atomi si caricano a causa delle collisioni con le particelle solari energetiche, innescando spettacoli di aurore e correnti elettriche.
Il modello WAM-IPE cerca di simulare le complessità di questi processi e di prevederne gli esiti. “Si tratta di una fisica molto complessa, che ancora non comprendiamo completamente”, afferma Fang.
Al momento dell’incidente di Starlink, il modello di Fang era ancora in fase sperimentale. Non erano ancora disponibili i tipi di misurazioni dell’atmosfera superiore che avrebbero potuto verificare direttamente i calcoli del modello.
Nel 2022, solo due veicoli spaziali in orbita erano in grado di fornire alcune misure di base della densità termosferica. Non erano in programma nuove missioni della NOAA o della NASA che potessero colmare le lacune nel prossimo futuro.
Ma SpaceX aveva una soluzione al problema di Fang. I satelliti Starlink, pur non essendo dotati di strumenti dedicati alla misurazione della densità atmosferica, sono dotati di ricevitori GPS per determinare la loro posizione. Durante le loro conversazioni, Fang e gli ingegneri di Starlink hanno capito che, con un po’ di matematica intelligente, potevano calcolare la densità atmosferica in base alle variazioni di traiettoria dei satelliti Starlink.
“È piuttosto complicato perché è necessario avere un’ottima comprensione di come la forma del veicolo spaziale influisca sulla sua resistenza aerodinamica, ma con questo dato possiamo osservare le differenze di posizione, vedere come cambiano e calcolare la densità”, spiega Fang.
A quel tempo, circa 2.000 satelliti Starlink erano in orbita. Così, laddove prima non c’erano dati, Fang ha improvvisamente avuto a disposizione un’abbondante risorsa a cui attingere e da utilizzare per assicurarsi che i calcoli del modello WAM-IPE corrispondessero alla realtà, almeno all’altitudine orbitale di Starlink. Da allora la costellazione è cresciuta fino a 5.000 veicoli spaziali, fornendo una rete di misurazioni ancora più fitta.
Fang dice che da allora molti altri operatori satellitari si sono uniti al suo sforzo, fornendo alla NOAA i dati per far funzionare il modello prima della prossima grande tempesta solare.
“L’incidente di Starlink ha davvero sollevato il problema”, afferma l’esperta. “Il settore è in piena espansione e ora tutti ne sono consapevoli, e vengono da noi per capire il problema. Sono stati due anni difficili, e a volte ho l’impressione che non stiamo risolvendo il problema abbastanza velocemente per loro”.
Il lavoro da fare
Nei mesi successivi all’incidente di Starlink, altri operatori di veicoli spaziali hanno iniziato a segnalare problemi legati al meteo spaziale. Nel maggio 2022, l’Agenzia spaziale europea ha dichiarato che la sua costellazione di satelliti Swarm, che misurano il campo magnetico intorno alla Terra, ha perso quota 10 volte più velocemente rispetto ai 10 anni precedenti. Nel dicembre 2023, la NASA ha annunciato che il suo telescopio spaziale Neowise, a caccia di asteroidi, rientrerà nell’atmosfera terrestre all’inizio del 2025 a causa della crescente resistenza causata dall’attività solare.
L’attuale ciclo solare raggiungerà il suo massimo alla fine di quest’anno. Ma è probabile che il Sole continui a emettere CME e brillamenti solari a un ritmo elevato per i prossimi cinque anni, prima che si stabilizzi nel suo minimo. In questi anni, il numero di satelliti in orbita continuerà ad aumentare. Gli analisti prevedono che entro la fine di questo decennio il numero di satelliti operativi potrebbe raggiungere le 100.000 unità.
“Non è improbabile che si verifichi una grande tempesta geomagnetica nei prossimi quattro o cinque anni”, afferma Berger. “E questo metterà davvero alla prova l’intero sistema”.
Il team di Berger in Colorado collabora con il team di Fang alla NOAA, cercando di trovare il modo di integrare le previsioni del modello WAM-IPE sui cambiamenti della densità atmosferica nei calcoli delle orbite dei satelliti.
Come ha dimostrato l’incidente di Starlink, non sono solo le grandi tempeste solari a dover preoccupare gli operatori.
Dan Oltrogge, esperto di tracciamento orbitale presso Comspoc, un’azienda specializzata nella consapevolezza della situazione spaziale, afferma che l’accuratezza delle previsioni di traiettoria dei satelliti in orbite inferiori alle 250 miglia (400 chilometri) è “particolarmente suscettibile alle variazioni meteorologiche spaziali”.
“È a queste altitudini che orbitano la Stazione spaziale internazionale, la stazione spaziale cinese e molti satelliti per l’osservazione della Terra”, spiega Oltrogge. “Quando il tempo spaziale cambia, la resistenza atmosferica cambia e cambia in base a dove e quanto gli oggetti si avvicinano. È difficile sapere quando effettuare una manovra di prevenzione delle collisioni”.
Più forte è la tempesta, maggiori sono le fluttuazioni della densità atmosferica e maggiore è l’incertezza. Secondo Fang, la tempesta Starlink, di scarsa intensità, ha ispessito l’atmosfera ad altitudini comprese tra 120 e 240 miglia del 50-125%. Un evento unico nel secolo come la tempesta di Carrington potrebbe portare a un aumento della densità del 900%.
Le preoccupazioni più grandi, dice Fang, sono che non comprendiamo appieno il comportamento del Sole e che riceviamo così poco preavviso sull’arrivo delle CME.
“Anche con il nuovo modello, sappiamo solo quello che sta accadendo ora”, afferma l’esperta. “Non abbiamo una vera capacità di previsione. Non sappiamo quando si verificherà un brillamento o quando si verificherà una CME”.
Una CME può impiegare un paio di giorni per colpire la Terra, ma i ricercatori non riescono a misurarne l’intensità fino a circa 30 minuti prima, quando passa davanti a SOHO, un satellite della NASA e dell’Agenzia Spaziale Europea a circa 900.000 miglia di distanza in un’orbita stabile tra la Terra e il Sole. L’Agenzia spaziale europea sta sviluppando un nuovo veicolo spaziale, chiamato Vigil, che sarebbe in grado di fornire una vista laterale del sole, permettendo ai ricercatori di vedere le macchie solari potenzialmente pericolose non visibili dalla Terra. Ma ci vorranno anni per farlo decollare. Fino ad allora, gli operatori spaziali dovranno incrociare le dita e sperare che il tempo spaziale regga.
Tereza Pultarova è una giornalista freelance di scienza e tecnologia con sede a Londra, specializzata in spazio e sostenibilità.
