Come creare una nube nottilucente da zero

Dalla fine dell’era Space Shuttle nel 2011, sono nate oltre 70 Agenzie Spaziali governative in vari paesi, 14 delle quali hanno proprie capacità di lancio. A queste bisogna aggiungere le compagnie private che stanno entrando nel settore sempre più numerose. Nel 2020, ci sono stati 104 lanci di razzi andati a buon fine (e 10 fallimenti) a livello globale che potenzialmente hanno rilasciato vapore acqueo nella nostra atmosfera. Ma quali sono gli effetti che potrebbero scaturire da queste attività?

Situata sopra la stratosfera, la mesosfera è molto secca ed è caratterizzata da temperature molto fredde (comprese tra i -70 ed i -90 gradi Celsius). In tarda primavera e in estate, le nubi nottilucenti, dall’inglese NoctiLucent Clouds (NLC), note anche come nubi polari mesosferiche (Polar Mesospheric Clouds, PMC), si materializzano naturalmente tra i 50 ed i 70 gradi di latitudine nei cieli polari, dopo il tramonto. Dato un punto di osservazione, diventano visibili quando i raggi del Sole riescono a raggiungere (dal basso) la mesosfera, cioè lo strato tra i 75 e gli 85 chilometri di quota in cui queste nuvole si formano. Sono costituite da esili sciami di cristalli di ghiaccio d’acqua e sono state regolarmente osservate da un’ampia varietà di strumenti terrestri e satellitari.

Per studiare ulteriormente il fenomeno, un team guidato dal fisico spaziale Richard Collins, direttore della Fairbanks Graduate School dell’Università dell’Alaska e professore di scienze atmosferiche presso il Geophysical Institute, ha lanciato un razzo suborbitale pieno d’acqua, soprannominato “Super Soaker”, nel cielo dell’Alaska, per cercare di creare una PMC artificiale.

«Ciò che ha suscitato molto interesse per queste nuvole è la loro sensibilità: si verificano proprio al limite della vitalità nell’atmosfera superiore, dove [l’aria] è incredibilmente secca e incredibilmente fredda. Sono un indicatore molto sensibile dei cambiamenti nella parte atmosferica superiore, cambiamenti di temperatura e/o cambiamenti nel vapore acqueo», ha detto Collins.

Il team è stato il primo a dimostrare che la formazione di nubi nottilucenti è collegata al raffreddamento da vapore acqueo. I risultati sono stati pubblicati sul Journal of Geophysical Research: Space Physics.

L’esperimento

La missione Super Soaker è stata lanciata dal Poker Flat Research Range a Chatanika, in Alaska nella notte tra il 25 e il 26 gennaio 2018. Per ottenere maggiore evidenza nei dati, visto che le nubi nottilucenti si formano solo in estate, i ricercatori hanno lanciato il loro razzo in inverno, quando le condizioni atmosferiche erano meno idonee. «Volevamo essere sicuri di evitare di mescolare PMC create artificialmente e presenti in natura. In questo modo potevamo essere certi che qualsiasi PMC osservata fosse attribuibile all’esperimento Super Soaker», ha spiegato Irfan Azeem, fisico spaziale presso Astra, LLC, coautore dello studio.

La missione consisteva in tre razzi sonda (sounding rocket o rocketsonde), uno per l’esperimento vero e proprio, con a bordo un serbatoio contenente 220 chilogrammi di acqua pura, altri due usati come traccianti, per monitorare la velocità dei venti in quota con il trimetilalluminio. Da terra, un LIDAR (LIght Detecting And Ranging) Rayleigh puntava sul razzo Super Soaker, verso il punto di rilascio, per rilevare la nuvola, troppo piccola per essere osservata ad occhio nudo. Questa tecnica di Remote Sensing viene utilizzata per misurare i profili degli aerosol atmosferici: si basa sull’invio di impulsi di luce laser attraverso un bersaglio e la registrazione del segnale di radiazione retrodiffusa. Permette di determinare la distanza di un target ma anche la sua composizione. Questo studio, sfrutta la diffusione Rayleigh, un particolare tipo di scattering elastico causato da particelle di dimensioni molto piccole rispetto alla lunghezza d’onda della radiazione.

Lanciato alle 14:49:49 UT, il Super Soaker rilasciava l’acqua per esplosione 100,5 secondi dopo il lancio, a 85 chilometri di quota. Il LIDAR Rayleigh, da terra, rilevava una retrodiffusione avanzata nella mesosfera superiore tra le 14:52 e le 14:55 UT.

Il segnale LIDAR Rayleigh rilasciato dalla nuvola artificiale il 26 gennaio 2018, tracciato in funzione del tempo e dell’altitudine. La nuvola è chiaramente visibile tra le 14:52 e le 14:55 UT e tra 92 e 78 km. La linea bianca verticale segna il momento del rilascio dell’acqua.

«Il fatto che abbiamo visto le nuvole formarsi così rapidamente e il fatto che siano persistite per circa tre minuti, è stato inaspettato», ha dichiarato Michael Stevens, del Geospace Science and Technology Branch presso l’US Naval Research Laboratory e coautore dell’articolo. «L’abbiamo visto sullo schermo e non credo che tutti nella stanza se lo aspettassero, ma lo abbiamo visto».

Le misurazioni hanno fornito informazioni sulla temperatura prima e durante l’esperimento nel punto in cui puntava il fascio LIDAR. Il rapido raffreddamento rilevato suggerisce che il vapore acqueo rilasciato dal razzo non solo ha fornito acqua per produrre cristalli di ghiaccio ma ha anche raffreddato attivamente l’aria innescando la formazione della nube.

Perché le nubi nottilucenti interessano agli scienziati?

Le PMC si formano tipicamente in condizioni fredde e secche nella mesosfera polare estiva. Si verificano tra gli 82-85 chilometri di quota a causa dei cambiamenti stagionali di temperatura e umidità. Pertanto, sono indicative di variazioni sia su piccola che su larga scala delle condizioni meteorologiche locali. «Questo le rende un obiettivo convincente per testare la nostra comprensione energetica e microfisica dell’alta atmosfera», dichiarano gli autori.

Potrebbero sembrare un fenomeno atmosferico come tanti ma sono diventate più luminose e più frequenti negli ultimi anni e, a volte, sono state avvistate anche a latitudini più basse. L’incremento potrebbe essere legato ai cambiamenti climatici e/o ad alcune attività umane. In particolare, è stato notato che possono formarsi associate allo scarico dei razzi. Gli effetti del passaggio dei vettori nella mesosfera non sono ancora ben compresi ma di sicuro le attività spaziali da parte di Agenzie governative e compagnie private sono aumentate esponenzialmente negli ultimi tempi.

Studi precedenti hanno dimostrato una relazione tra lo scarico di acqua del motore principale dello Space Shuttle della NASA e la formazione di nubi mesosferiche polari sull’Artico e sull’Antartico. Queste PMC artificiali rappresenterebbero addirittura circa 10% –20% della massa totale di nubi nottilucenti osservata in un’intera stagione su queste zone. «Rispetto al bilancio idrico complessivo della Terra, ovviamente, questi contributi sono trascurabili. Ma rispetto alla quantità di acqua nelle tenui PMC non lo è», ha detto Stevens.

L’esperimento Super Soaker è stato deliberatamente condotto in condizioni inospitali per la formazione di nubi nottilucenti (gennaio Artico) per testare l’efficienza con cui il vapore acqueo può raffreddare localmente la mesosfera superiore. «Non disponiamo di misurazioni dirette della temperatura della nuvola ma possiamo dedurre tale variazione di temperatura in base a ciò che pensiamo sia necessario durante la formazione della nuvola», ha affermato Collins. Il modello ha mostrato che deve essersi verificato un raffreddamento significativo. «L’unico modo in cui si poteva ottenere la formazione di una nuvola, con la quantità di acqua presente, era il verificarsi di un calo termico di circa 25 gradi Celsius». In pratica, la semplice introduzione di acqua nella regione, ha portato a un significativo calo della temperatura locale.

Il ruolo del vapore acqueo in questo caso è molto diverso rispetto al suo contributo negli strati più bassi dell’atmosfera dove il gas è responsabile di una buona parte dell’effetto serra naturale. Ma quali sono le implicazioni del raffreddamento dell’alta atmosfera? «Ci aspettiamo che un’atmosfera più umida sia più nuvolosa, proprio come vediamo la nebbia che si forma sugli stagni nelle mattine fredde. Quello che abbiamo scoperto di nuovo è che il vapore acqueo sembra raffreddare attivamente l’atmosfera per promuovere la formazione di nuvole», ha detto Collins. «Non crediamo che causerà un effetto radicale al suolo ma ci aiuta a comprendere le tendenze climatiche a lungo termine e il ruolo del vapore acqueo nel sistema climatico», ha aggiunto. «E ci permetterà anche di comprendere meglio i nostri modelli meteorologici, dove molte volte la formazione di nuvole è la prova del fuoco per verificare che tutte le parti della previsione stiano funzionando».

Collins ha ulteriormente commentato via mail: «Esistono numerosi studi che indicano cambiamenti nelle PMC dovuti all’aumento dell’umidità e dei gas serra nell’atmosfera. L’aumento dell’umidità fornisce più materiale per la formazione delle nuvole, mentre l’aumento dei gas serra contribuisce al raffreddamento nell’alta atmosfera. È in corso l’analisi dei dati storici sulle PMC e i relativi ruoli dell’aumento dell’umidità e del raffreddamento. Studi recenti evidenziano l’importanza dell’umidità che contribuisce ad un aumento degli avvistamenti di queste nuvole da terra ma il problema non è completamente risolto».

Alta atmosfera e Marte

Ultimamente è stato supposto che le nuvole di ghiaccio nell’alta atmosfera potrebbero aver agito anche sul clima passato di Marte, rendendo il pianeta più caldo. Collins ha commento «Lo studio su Marte evidenzia la complessità della comprensione dell’impatto delle nuvole sull’atmosfera. È stato dimostrato che una fitta copertura nuvolosa è in grado di riscaldare Marte, se le nuvole si trovano ad un’altitudine specifica. Lo studio sottolinea l’importanza di queste nuvole nell’aver probabilmente contribuito al cambiamento climatico e mantenere Marte più caldo di quanto sarebbe stato senza le nuvole. Il documento parla di un pianeta relativamente asciutto dove potremmo trovare un singolo strato di nuvole. Ma, sulla Terra con molta umidità, l’intera complessità delle interazioni tra più strati di nuvole è più complessa».

Tuttavia, l’aumento di vapore acqueo non significa che la temperatura scenda senza limiti, ha spiegato Collins. Le PMC agiscono come un termostato. «Se il vapore acqueo è relativamente scarso e distribuito in filamenti, agirà per raffreddare l’atmosfera. Mentre si raffredda, il vapore acqueo diventa ghiaccio, che assorbe il calore dal terreno. Questo calore riscalda le particelle di ghiaccio e le fa sublimare di nuovo in vapore, contribuendo nuovamente al raffreddamento. Di conseguenza abbiamo un effetto yo-yo tra il riscaldamento e il raffreddamento mentre l’acqua va avanti e indietro tra la fase solida e quella gassosa», ha detto ad OggiScienza via mail.

In ogni caso, è evidente che l’aumento del vapore acqueo influenza il modo e il momento in cui si formano le PMC. Per coloro che cercano di creare modelli previsionali, tenere traccia del vapore acqueo sia naturale che iniettato dall’uomo nell’atmosfera terrestre, diventa la chiave di lettura.

L’esperimento Super Soaker «è stata un’idea molto innovativa», ha affermato Xinzhao Chu, un fisico dell’Università del Colorado Boulder non coinvolto nel lavoro. Le nubi nottilucenti sono diventate più luminose e più frequenti negli ultimi decenni. «ma non è chiaro quanto ciò sia dovuto al cambiamento climatico, che dovrebbe rendere la mesosfera più fredda e umida, o all’incremento dei lanci di razzi che pompano vapore acqueo extra nell’atmosfera», ha detto. «Una migliore comprensione delle nuvole generate dai razzi potrebbe aiutare a isolare l’impatto del cambiamento climatico sull’alta atmosfera».

Ora, i ricercatori sono ansiosi di lanciare un secondo Super Soaker, che espellerà molta più acqua. «Quello che abbiamo visto era molto, molto bello ma vorremmo portare più acqua lassù per ottenere una nuvola più spessa e misurare direttamente l’effetto del raffreddamento piuttosto che dedurlo dal fatto che la nuvola si è formata», ha commentato Collins.

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Fotografia: KairoK CC BY-SA 4.0