La missione ACES dell’Agenzia Spaziale Europea potrebbe aprire la strada a una rete globale di orologi atomici in grado di rendere queste misurazioni molto più precise.
Nel 2003, ingegneri tedeschi e svizzeri hanno iniziato a costruire un ponte sul fiume Reno contemporaneamente da entrambe le parti. Dopo mesi di lavori, hanno scoperto che le due sponde non si incontravano. Il lato tedesco si trovava 54 centimetri sopra quello svizzero.
Il disallineamento si verificò perché gli ingegneri tedeschi avevano misurato l’altitudine utilizzando come punto zero il livello storico del Mare del Nord, mentre quelli svizzeri avevano utilizzato il Mar Mediterraneo, che era 27 centimetri più basso. Possiamo parlare colloquialmente di elevazioni rispetto al “livello del mare”, ma in realtà i mari della Terra non sono livellati. “Il livello del mare varia da un luogo all’altro”, afferma Laura Sanchez, geodeta dell’Università Tecnica di Monaco in Germania. (I geodeti studiano la forma, l’orientamento e il campo gravitazionale del nostro pianeta). Pur sapendo della differenza di 27 centimetri, le due squadre hanno confuso quale fosse il lato più alto. Alla fine, la Germania ha abbassato il suo lato per completare il ponte.
Per evitare questi costosi errori di costruzione, nel 2015 gli scienziati dell’Associazione Internazionale di Geodesia hanno votato per l’adozione dell’International Height Reference Frame, o IHRF, uno standard mondiale per l’elevazione. È la controparte tridimensionale della latitudine e della longitudine, spiega Sanchez, che contribuisce a coordinare lo sforzo di standardizzazione.
Ora, un decennio dopo la sua adozione, i geodeti stanno cercando di aggiornare lo standard utilizzando l’orologio più preciso mai volato nello spazio.
Questo orologio, chiamato Atomic Clock Ensemble in Space, o ACES, è stato lanciato in orbita dalla Florida il mese scorso, diretto alla Stazione Spaziale Internazionale. ACES, costruito dall’Agenzia Spaziale Europea, consiste in due orologi atomici collegati tra loro, uno contenente atomi di cesio e l’altro di idrogeno, combinati per produrre un’unica serie di ticchettii con una precisione superiore a quella di un orologio da solo.
Gli orologi a pendolo hanno una precisione di circa un secondo al giorno, poiché la velocità di oscillazione del pendolo può variare in base all’umidità, alla temperatura e al peso della polvere. Gli orologi atomici degli attuali satelliti GPS perdono o guadagnano un secondo in media ogni 3.000 anni. ACES, invece, “non perderà o guadagnerà un secondo in 300 milioni di anni”, afferma Luigi Cacciapuoti, un fisico dell’ESA che ha contribuito alla costruzione e al lancio del dispositivo. (Nel 2022, la Cina ha installato un orologio potenzialmente più stabile sulla sua stazione spaziale, ma il governo cinese non ha condiviso pubblicamente le prestazioni dell’orologio dopo il lancio, secondo Cacciapuoti).
Dallo spazio, ACES si collegherà ad alcuni degli orologi più precisi della Terra per creare una rete di orologi sincronizzati, che supporterà il suo scopo principale: eseguire test di fisica fondamentale.
Ma è di particolare interesse per i geodeti perché può essere utilizzato per effettuare misure gravitazionali che aiuteranno a stabilire un punto zero più preciso da cui misurare l’altitudine in tutto il mondo.
L’allineamento su questo “punto zero” (in pratica dove si infila l’estremità del metro per misurare l’altitudine) è importante per la collaborazione internazionale. Rende più facile, ad esempio, monitorare e confrontare le variazioni del livello del mare in tutto il mondo. È particolarmente utile per la costruzione di infrastrutture che coinvolgono l’acqua corrente, come dighe e canali. Nel 2020, lo standard altimetrico internazionale ha persino risolto una disputa di lunga data tra Cina e Nepal sull’altezza del Monte Everest. Per anni, la Cina ha dichiarato che la montagna era di 8.844,43 metri, mentre il Nepal l’aveva misurata a 8.848 metri. Utilizzando l’IHRF, i due Paesi hanno infine concordato che la montagna era di 8.848,86 metri.
Un operaio esegue dei test sull’ACES al Kennedy Space Center in Florida.
ESA-T. PEIGNIER
Per creare un punto zero standard, i geodeti creano un modello della Terra noto come geoide. Ogni punto sulla superficie di questo modello bitorzoluto e a forma di patata sperimenta la stessa gravità, il che significa che se si scavasse un canale all’altezza del geoide, l’acqua all’interno del canale sarebbe in piano e non scorrerebbe. La distanza dal geoide stabilisce un sistema globale per l’altitudine.
Tuttavia, il modello attuale manca di precisione, in particolare in Africa e in Sud America, dice Sanchez. L’attuale geoide è stato costruito utilizzando strumenti che misurano direttamente la gravità della Terra. Questi sono stati trasportati sui satelliti, che eccellono per ottenere una visione globale ma a bassa risoluzione, e sono stati utilizzati anche per ottenere dettagli più fini attraverso costosi rilevamenti a terra e in aereo. Ma i geodeti non hanno avuto i fondi necessari per rilevare l’Africa e il Sud America in modo così esteso come altre parti del mondo, soprattutto in terreni difficili come la foresta amazzonica e il deserto del Sahara.
Per capire la discrepanza di precisione, immaginate un ponte che attraversa l’Africa dalla costa mediterranea a Città del Capo, in Sudafrica. Se viene costruito utilizzando il geoide attuale, le due estremità del ponte saranno disallineate di decine di centimetri. In confronto, se si costruisse un ponte che attraversa il Nord America, lo scarto sarebbe al massimo di cinque centimetri.
Per migliorare la precisione del geoide, i geodeti vogliono creare una rete mondiale di orologi sincronizzati dallo spazio. L’idea funziona secondo la teoria della relatività generale di Einstein, secondo la quale più forte è il campo gravitazionale, più lentamente passa il tempo. Il film di fantascienza del 2014 Interstellar illustra una versione estrema della cosiddetta dilatazione temporale: due astronauti trascorrono alcune ore in condizioni di gravità estrema vicino a un buco nero per tornare da un compagno di bordo invecchiato di oltre due decenni. Allo stesso modo, la gravità terrestre si indebolisce quanto più ci si trova in alto. I piedi, ad esempio, sperimentano una gravità leggermente superiore a quella della testa quando si è in piedi. Supponendo di vivere circa 80 anni, nel corso della vita la testa invecchierà di decine di miliardesimi di secondo rispetto ai piedi.
Una rete di orologi permetterebbe ai geodeti di confrontare il ticchettio degli orologi di tutto il mondo. Potrebbero quindi utilizzare le variazioni di tempo per mappare il campo gravitazionale della Terra in modo molto più preciso e, di conseguenza, creare un geoide più preciso. Gli orologi più accurati oggi sono abbastanza precisi da misurare le variazioni di tempo che si traducono in differenze di altitudine di un centimetro.
“Vogliamo avere un livello di precisione di un centimetro o inferiore al centimetro”, afferma Jürgen Müller, geodeta dell’Università Leibniz di Hannover, in Germania. In particolare, i geodeti utilizzerebbero le misurazioni dell’orologio per convalidare il loro modello di geoide, cosa che attualmente fanno con tecniche di rilevamento a terra e in piano. Secondo i ricercatori, una rete di orologi dovrebbe essere molto meno costosa.
ACES è solo un primo passo. È in grado di misurare le altitudini in vari punti della Terra con una precisione di 10 centimetri, dice Cacciapuoti. Ma lo scopo di ACES è quello di prototipare la rete di orologi. Dimostrerà la tecnologia ottica e a microonde necessaria per utilizzare un orologio nello spazio per collegare tra loro alcuni degli orologi terrestri più avanzati. Nel prossimo anno, Müller prevede di utilizzare ACES per connettersi agli orologi a terra, iniziando con tre in Germania. Il team di Müller potrebbe quindi effettuare misurazioni più precise nel luogo in cui si trovano questi orologi.
Questi primi studi apriranno la strada al lavoro di connessione alla rete di orologi ancora più precisi di ACES, portando infine a un geoide migliore. I migliori orologi di oggi sono circa 50 volte più precisi di ACES. “La cosa eccitante è che gli orologi stanno diventando ancora più precisi”, afferma Michael Bevis, geodeta dell’Ohio State University, che non è stato coinvolto nel progetto. Un geoide più preciso consentirebbe agli ingegneri, ad esempio, di costruire un canale con un migliore controllo della sua profondità e del suo flusso. Tuttavia, sottolinea che per poter sfruttare la precisione degli orologi, i geodeti dovranno anche migliorare i loro modelli matematici del campo gravitazionale terrestre.
Anche solo iniziare a costruire questa rete di orologi ha richiesto decenni di lavoro dedicato da parte di scienziati e ingegneri. L’ESA ha impiegato tre decenni per realizzare un orologio piccolo come ACES e adatto allo spazio, spiega Cacciapuoti. Ciò ha significato miniaturizzare un orologio delle dimensioni di un laboratorio fino a ridurlo alle dimensioni di un piccolo frigorifero. “È stato un enorme sforzo ingegneristico”, dice Cacciapuoti, che lavora al progetto da quando ha iniziato a lavorare all’ESA 20 anni fa.
I geodeti prevedono che sarà necessario almeno un altro decennio per sviluppare la rete di orologi e lanciare altri orologi nello spazio. Una possibilità sarebbe quella di inserire gli orologi nei satelliti GPS. La tempistica dipende dal successo della missione ACES e dalla volontà delle agenzie governative di investire, dice Sanchez. Ma a prescindere dalle specifiche, la mappatura del mondo richiede tempo.
Immagine di copertina: questo modello gravitazionale della Terra, chiamato geoide, è stato creato utilizzando i dati della missione GOCE dell’Agenzia Spaziale Europea. ESA/HPF/DLR
