Uno sguardo dalla Luna sull’atmosfera terrestre

Come i segnali GNSS, ricevuti da strumenti scientifici sulla superficie lunare, offrono una nuova prospettiva per osservare ionosfera e plasmasfera terrestri
di Claudio Cesaroni, Lucilla Alfonsi e Luca Spogli
tratto da INGVAMBIENTE

Dalla Luna alla Terra: una prospettiva inaspettata

Spesso, quando pensiamo alle missioni spaziali verso la Luna, la nostra immaginazione corre subito agli astronauti che camminano tra i crateri, ai rover che cercano tracce di ghiaccio nei poli lunari o alle future basi abitate. Difficilmente ci viene in mente che queste missioni, rivolte verso l’esterno, possano aiutarci a capire meglio il nostro stesso pianeta.

In questo contesto, una recente impresa tecnologica ha aperto una prospettiva del tutto inedita sulla Terra, trasformando la superficie lunare in un punto di osservazione privilegiato per lo studio dell’ambiente spaziale che ci circonda. Si tratta dell’esperimento LuGRE (Lunar GNSS Receiver Experiment), una missione pionieristica nata dalla collaborazione tra la NASA e l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), sviluppata con il supporto tecnico e scientifico del Politecnico di Torino e dell’industria italiana.

L’esperimento LuGRE e la navigazione nello spazio cis-lunare

L’obiettivo primario di LuGRE era squisitamente ingegneristico e dimostrativo. Il ricevitore GNSS dell’esperimento, atterrato nel bacino del Mare Crisium nel marzo 2025 a bordo del lander commerciale Blue Ghost, doveva dimostrare che è possibile utilizzare i segnali di navigazione satellitare terrestre, come il GPS americano e il Galileo europeo, per orientarsi nello spazio cis-lunare e sulla superficie della Luna stessa.

Si è trattato di una sfida complessa, poiché questi segnali sono progettati per essere ricevuti a terra, o al massimo da aerei e satelliti in orbita bassa: certamente non a 400.000 chilometri di distanza. Il successo della loro ricezione da parte del ricevitore lunare ha generato un tesoro di dati pubblici che la comunità scientifica internazionale, inclusi i ricercatori dell’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), ha iniziato ad analizzare con grande interesse per scopi di ricerca fondamentale sulla fisica dell’alta atmosfera.

La Terra come sistema plasma-magnetico

Per comprendere il valore inestimabile di questi dati, dobbiamo fare un passo indietro e immaginare la Terra come un magnete gigante avvolto in un guscio dinamico e invisibile di gas ionizzato, chiamato plasma. È in questa regione dell’atmosfera più alta, dove l’aria diventa sempre più rarefatta e ionizzata, che si collocano la ionosfera e la plasmasfera.

Questa “nube” elettrica, tenuta in ostaggio dal campo magnetico terrestre, si divide principalmente in due zone. La ionosfera è lo strato dell’atmosfera più denso e vicino alla superficie terrestre: inizia a circa 60 chilometri di quota e gioca un ruolo cruciale nelle comunicazioni radio. La plasmasfera, invece, è una vasta bolla di particelle molto più rarefatte che si estende per migliaia di chilometri nello spazio, ruotando solidale con il nostro pianeta come se fosse un’estensione della sua atmosfera.

Queste regioni sono fondamentali per la nostra vita tecnologica quotidiana, influenzando la precisione dei segnali di navigazione, la stabilità delle reti elettriche e la sicurezza dei satelliti in orbita.

Il “punto cieco” dell’alta atmosfera

Nonostante decenni di studi e di missioni spaziali, la nostra comprensione del sistema di plasma che avvolge la Terra soffre di una lacuna storica, un vero e proprio “punto cieco” nelle nostre osservazioni. Esiste una vasta regione di transizione, situata indicativamente tra gli 800 e gli 8.000 chilometri di quota, che è incredibilmente difficile da monitorare con i metodi tradizionali.

I satelliti scientifici che osservano la Terra volano spesso in orbita bassa (LEO), troppo vicini alla superficie per vedere questa zona nella sua interezza, mentre le missioni nello spazio profondo attraversano questa regione troppo velocemente per mapparla con precisione. Di conseguenza, sappiamo molto di ciò che accade “sotto” (ionosfera) e “sopra” (magnetosfera esterna), ma ci manca una visione chiara di come queste due zone si connettano e scambino materia ed energia.

L’osservazione “di profilo” dalla superficie lunare

È qui che l’analisi dei dati di LuGRE, condotta dai ricercatori dell’INGV, offre un’opportunità straordinaria. La posizione del ricevitore sulla Luna permette infatti di osservare la Terra “di profilo”, anziché dal basso come avviene normalmente. Mentre i ricevitori GPS che usiamo a terra o sui nostri smartphone captano segnali che attraversano l’atmosfera quasi verticalmente, sopra le nostre teste, LuGRE raccoglie segnali provenienti da satelliti che, visti dalla Luna, si trovano dietro il bordo del pianeta.

Questi segnali, emessi dai satelliti GNSS, attraversano così l’intera plasmasfera e la ionosfera lungo traiettorie radenti, percorrendo lunghe distanze attraverso il plasma prima di raggiungere il ricevitore nel Mare Crisium. Questa geometria unica, detta “limb sounding” o “sondaggio al lembo”, agisce come una sorta di TAC spaziale e permette di scansionare gli strati più esterni dell’atmosfera terrestre lungo percorsi di migliaia di chilometri, rendendo misurabili anche le densità di plasma più tenui che solitamente sfuggono agli strumenti tradizionali.

Il “respiro” elettrico del pianeta

Grazie a questa configurazione geometrica privilegiata, i dati raccolti sulla Luna ci offrono la possibilità di indagare con una sensibilità senza precedenti il cosiddetto “topside ionosferico” e la plasmasfera. Possiamo finalmente iniziare a colmare quel vuoto osservativo che ha limitato finora la nostra comprensione di come queste due regioni interagiscano.

È noto, ad esempio, che esiste un continuo “respiro” elettrico del nostro pianeta: durante il giorno, il plasma viene riscaldato dal Sole e sale dalla ionosfera verso l’alto per riempire i serbatoi della magnetosfera; di notte, quando la ionosfera non è più alimentata dalla radiazione solare, il plasma ricade verso il basso dalla plasmasfera, agendo come una riserva vitale per mantenere attiva la ionosfera notturna. Le misure di LuGRE ci permettono di osservare questi flussi su scala globale e integrata, offrendo indizi preziosi sui meccanismi fisici che regolano questo delicato equilibrio.

Ricadute sullo Space Weather e sulle infrastrutture tecnologiche

L’importanza di queste analisi va ben oltre la pura curiosità scientifica o la mappatura di regioni remote dello spazio. Migliorare la nostra conoscenza della densità elettronica in queste zone è essenziale per perfezionare i modelli di Space Weather, la meteorologia spaziale. Viviamo in una società sempre più dipendente da tecnologie spaziali e segnali radio che devono attraversare questi strati di plasma.

Una tempesta solare improvvisa può perturbare la ionosfera e la plasmasfera, degradando i segnali GPS, interrompendo le comunicazioni satellitari o causando correnti dannose nelle reti elettriche terrestri. Per proteggere le nostre infrastrutture, dobbiamo essere in grado di prevedere questi eventi con precisione. Attualmente, i modelli matematici utilizzati per correggere gli errori dei GPS o per prevedere il “meteo” dello spazio si basano spesso su dati incompleti alle alte quote. Le osservazioni dalla superficie lunare rappresentano quindi un banco di prova fondamentale per calibrare questi modelli, permettendo di verificarne l’accuratezza e migliorarne le previsioni future.

Dalla navigazione lunare alla geofisica terrestre

In questo contesto, il lavoro di analisi svolto dall’INGV sui dati pubblici di LuGRE si inserisce in un filone di ricerca che unisce l‘esplorazione spaziale alla geofisica terrestre. Dimostra come i dati di una missione nata per scopi di navigazione lunare possano avere ricadute immediate e profonde sulla nostra comprensione della Terra. 

Ogni segnale captato nel silenzio del Mare Crisium è un tassello in più che ci aiuta a comprendere la complessa dinamica del nostro scudo atmosferico, dimostrando come l’esplorazione del sistema solare e la scienza della Terra siano indissolubilmente legate.

La Luna come osservatorio permanente della Terra

C’è un aspetto ancora più visionario che emerge dai risultati di queste analisi. Le osservazioni di LuGRE ci suggeriscono che la Luna non è solo una tappa per l’esplorazione umana, ma possiede tutte le caratteristiche per diventare un osservatorio permanente per la Terra. A differenza dei satelliti artificiali, che orbitano velocemente e offrono solo istantanee fuggitive di una certa regione, la Luna offre una piattaforma stabile e distante il giusto per avere una visione d’insieme costante.

Un futuro osservatorio lunare dedicato, dotato di strumenti simili a LuGRE ma operativi in modo continuativo, potrebbe monitorare la “salute” della magnetosfera e della plasmasfera terrestre 24 ore su 24, 365 giorni l’anno. Potrebbe fornirci un’immagine in tempo reale di come il nostro pianeta reagisce alle tempeste solari, permettendoci di osservare l’erosione della plasmasfera durante un evento geomagnetico e il suo successivo riempimento con un dettaglio impossibile da ottenere da terra o da satelliti vicini. I dati di LuGRE sono quindi solo l’inizio: ci indicano che la Luna potrebbe, in un futuro non troppo lontano, fungere da sentinella scientifica permanente, un avamposto essenziale per lo studio e la salvaguardia del nostro mondo iper-connesso. GNSS, GPS e i sistemi di navigazione satellitare

GNSS (Global Navigation Satellite Systems) è il termine che indica l’insieme dei sistemi di navigazione satellitare utilizzati per determinare posizione, velocità e tempo.

Il GPS statunitense è il più conosciuto, ma oggi fanno parte dei sistemi GNSS anche:

• Galileo, il sistema europeo;
• GLONASS, sviluppato dalla Russia;
• BeiDou, il sistema cinese.

I segnali trasmessi da questi sistemi, oltre alla navigazione, possono essere utilizzati come strumenti scientifici, perché attraversano l’atmosfera e lo spazio circumterrestre, permettendo di studiare ionosfera, plasmasfera e le loro variazioni nel tempo.

Le immagini di questo articolo sono realizzate con l’ausilio dell’AI