Ionosfera-M: Il termometro spaziale

Intervista a Sergei Pulinets

Come dico spesso, internet è, a volte un posto meraviglioso dove si incontrano persone straordinarie che, a loro volta, ci aprono un mondo di conoscenza.
E’il caso di Dmitri Gorinov, già da me intervistato nel marzo 2023, grazie al quale sono riuscito, insieme all’amico Piero D’Incecco, ad effettuare una bellissima visita guidata del museo dell’Accademia Russa delle Scienze IKI-RAS, il tutto in diretta streaming da Mosca con la collaborazione degli amici di Passione Astronomia.
Durante questa visita, ci siamo imbattuti in un modello a grandezza naturale di Ionosfera-M, un satellite destinato, come dice il nome, allo studio di questo particolare strato dell’atmosfera terrestre i cui primi due esemplari verranno lanciati nel maggio 2024.

Alla mia curiosità su questa particolare costellazione di satelliti, quattro in tutto più un ulteriore quinto satellite per lo studio del Sole, tramite Dmitri sono stato messo in contatto con la responsabile dell’Ufficio Stampa di IKI-RAS e, da questa, con colui che è il responsabile dello strumento principale dei satelliti Ionosfera: il Dottor Sergei Pulinets che mi ha concesso una piacevolissima videochiamata nella quale mi ha raccontato nel dettaglio in cosa consista e quali sono gli obiettivi della costellazione Ionosfera-M. 

Perchè è importante lo studio della ionosfera

In quest’epoca dove la tecnologia è parte fondamentale della vita di tutti i giorni, lo studio del cosiddetto Meteo spaziale è di importanza assoluta.
L’influenza delle tempeste geomagnatiche e solari, infatti, investe qualsiasi ambito della civiltà umana.Dagli aspetti legati alla vita civile a quelli militari e, non ultimo, il possibile impatto che questi eventi potrebbero avere sulla salute delle persone e le ripercussioni sull’ambiente.
Insomma: come è importante conoscere Il tempo che farà è diventato altrettanto importante conoscere la Meteorologia spaziale.

La Ionosfera è un particolare guscio di particelle ionizzate, cioè cariche elettricamente, composto da ioni ed elettroni.
Questo strato è parzialmente ionizzato. Tuttavia, i gas neutri costituiscono la maggior parte di questo strato e la presenza di componenti ionizzati costringe la ionosfera a reagire a qualsiasi variazione dei campi elettromagnetici.
La sua scoperta risale agli albori della comunicazione radio. Fu infatti grazie alla Ionosfera che Marconi poté accendere, dalla città italiana di Genova, le luci della città di Sydney in Australia. Tutto questo semplicemente perchè le onde radio, rimbalzando nella ionosfera, erano in grado di percorrere migliaia di Km.
La Ionosfera terrestre si trova ad un'altitudine compresa tra i 60 ed i 2000 Km ed ha una struttura molto complessa.
E’divisa in strati di differente concentrazione del plasma e composizione chimica. 

Essa reagisce alle variazioni dell’attività solare, del campo magnetico ed al susseguirsi del giorno e della notte nelle varie stagioni dell’anno.

In poche parole, la ionosfera respira alzandosi e abbassandosi principalmente a causa della variazione della radiazione solare ultravioletta al suo interno.

Ci sono molti modi, diretti ed indiretti, per studiare la Ionosfera.

Oltre ai razzi-sonda, i primi esperimenti con satelliti relativamente all’osservazione della Ionosfera, risalgono al 1962 con il satellite Canadese-Americano Alouette.

L’URSS ha lanciato la sua prima ionosonda nel 1970, con il satellite Kosmos-381. Nel 1979 un ulteriore evoluzione si è avuta con l’Interkosmos-19 e poi, nel 1987, il più evoluto Kosmos-1809. 

Chi è Sergei Pulinets

Sergei Pulinets, dopo la laurea all’Università Lomonosov di Mosca, ha lavorato per trent’anni presso l’Istituto per il magnetismo terrestre, la ionosfera e la propagazione delle onde radio situato nella città di Troitsk, ora parte della città di Mosca.
Successivamente ha svolto attività di ricerca per sei anni in Messico presso l’istituto statale UNAM per la previsione dei terremoti.
Rientrato in Russia, dopo vari incarichi nelle industrie del settore aerospaziale, nel 2009 è stato nominato responsabile dello strumento principale dei satelliti della costellazione Ionosfera, la sonda LAERT, grazie all’esperienza da lui acquisita negli anni passati con le precedenti Ionosonde sovietiche come la Interkosmos-19 e la Kosmos 1809.
Per la particolare attività svolta è anche supervisore dei processi costruttivi dei satelliti e degli strumenti presso l’industria di stato VNIIEM

• Dottor Pulinets, qual’è l’utilità di una rete satellitare dedicata allo studio della ionosfera rispetto ad altri metodi come, ad esempio, le osservazioni da terra?

Possiamo utilizzare una serie di strumenti da terra per misurare la ionosfera, ad esempio dalle stazioni fisse oppure lanciando dei razzi-sonda.
Gli impulsi radio vengono emessi in un'ampia gamma di frequenze e viene registrato il segnale riflesso dalla ionosfera. A seconda della frequenza emessa, questa viene riflessa alle diverse altitudini, il che consente di ottenere la distribuzione verticale della concentrazione di elettroni mediante la frequenza di scansione:

Si ottiene una riflessione quando la frequenza inviata è in risonanza con le vibrazioni degli elettroni liberi nella ionosfera.
Si rileva il ritardo tra l’invio del segnale e la sua riflessione e la frequenza ritrasmessa. in questo modo si ha uno Ionogramma che però è relativo solo alla fetta di cielo che abbiamo scandagliato da terra oppure durante la traiettoria del volo del razzo-sonda.
In tutto il mondo esiste una rete di ionosonde ed, in Russia, sono gestite dal Servizio idrometeorologico federale.
Ovviamente si tratta di rilevazioni parziali, per questo, con l’avvento dei satelliti, si è pensato di applicare queste tecniche anche nello spazio. Ma anche qui vi sono delle limitazioni.

Si tratta sempre di ionogrammi relativi a cosa c’è tra il satellite ed il terreno, ma la zona compresa tra le orbite vicine non può essere rilevata se non con una certa approssimazione.

A volte vengono utilizzati satelliti GPS e GLONASS, in orbita ad alta quota (quasi 20.000 km), insieme a satelliti posizionati in orbita terrestre bassa, utilizzando una tecnica chiamata occultazione.

In sostanza, il satellite nell'orbita più bassa, durante la sua rivoluzione, viene nascosto dalla Terra, e durante la sua occultazione, il segnale inviato dal satellite GNSS in orbita alta attraversa l'atmosfera a diverse altitudini, per poi ricostruire il profilo altitudinale.

Ma anche in questo modo, avremo sempre una rappresentazione molto parziale ed approssimativa di una fetta di cielo.

Non abbastanza per ottenere un modello della ionosfera su scala più ampia..

I satelliti dedicati allo studio della ionosfera si trovano nelle cosiddette orbite eliosincrone, cioè orbite in cui il satellite transita su di una zona alla stessa ora locale. Abbiamo così la condizione di costante illuminazione solare durante i passaggi del satellite. Ma sappiamo bene che la ionosfera varia di altezza e densità durante le 24 ore, quindi anche l’indagine con un solo satellite nella SSO, l’orbita eliosincrona, ci darà informazioni molto parziali.

Ionosfera-M eredita l’esperienza dei satelliti sovietici Kosmos-1809 che, all’epoca, avrebbe dovuto costituire il primo esemplare di una rete di satelliti in grado di rappresentare un modello della ionosfera e non solo una sua rappresentazione puntuale. 

• La costellazione Ionosfera sarà composta da quattro satelliti più un ulteriore satellite, chiamato Zond, che verrà immesso in un orbita eliocentrica quasi circolare. I satelliti verranno lanciati a coppie. I primi due satelliti potranno operare autonomamente o sarà necessario che la costellazione sia completata per avere i primi dati?

La costellazione ionosfera potrà già fornire dati apprezzabili con i primi due satelliti che verranno lanciati a maggio 2024. Ovviamente il funzionamento a regime dei quattro satelliti Ionosfera-M sarà fondamentale per l’elaborazione del modello della ionosfera poiché la particolare configurazione delle orbite dei quattro satelliti sarà in grado di ottenere più dati da una maggior area d’indagine.

Ogni coppia di satelliti verrà posizionata nella stessa orbita ma sfasata di 180°. 

Ogni satellite percorre un orbita in 90’; durante questo periodo, la terra ruota di 25°. Se usiamo una coppia di satelliti sfasata di 180° appunto, la rotazione risulterà di soli 12,5° tra una lettura ed un'altra. Con due coppie di satelliti, posizionati poi su due piani orbitali diversi, sfalsati di 45°, si otterrà maggior precisione nelle misurazioni effettuate.

• I quattro satelliti comunicheranno tra di loro oppure effettueranno trasmissioni solo da e verso la terra?

Non è previsto che i quattro satelliti Ionosfera-M più il satellite Zond effettuino comunicazioni tra di loro. E’invece previsto che vengano trasmessi dati dagli stessi esclusivamente con le stazioni a terra posizionate nelle tre regioni della Russia: Europea, Siberiana ed Orientale.

• Il nome Zond evoca i fasti delle gloriose sonde verso Venere, Luna e Marte. Ma, nello specifico, per quale motivo la costellazione ionosfera è integrata da questo quinto satellite?

Il satellite Zond verrà posizionato in un’orbita eliosincrona quasi circolare. Avrà i suoi strumenti, magnetometri, coronografi, telescopi spettrali, spettrofotometri e fotometri a raggi X ed UV, ozonometri, costantemente puntati sul Sole. Dal suo flusso costante di dati potremo interpretare le interazioni dell’attività solare sullo Ionogramma.

• Parlando di satelliti del passato, cosa è stato ereditato dalle vecchie ionosonde sovietiche o dalle analoghe occidentali, e cosa, invece, è di nuova concezione?

I satelliti Ionosfera sono di tipo sostanzialmente tradizionale, l’unico strimento che, ad esempio non era presente nella vecchia Kosmos-1809, è un ozonometro. Con le tecnologie odierne si è ottimizzato quanto già esisteva che era all’avanguardia per l’epoca.
Difatti le sonde dello stesso tipo occidentali utilizzavano una scansione analogica delle frequenze.

Inoltre, le ionosonde occidentali avevano dei tempi di scansione molto lunghi: molti decimi di secondo, addirittura, in alcuni casi, minuti. Questo significa che alla velocità di 7 Km/s la misurazione non sarebbe mai potuta essere puntuale e, di conseguenza, lo ionogramma risultante era molto lungo.

Già il satellite Interkosmos-19 era dotato di un sintetizzatore digitale (IS 338), in grado di emettere 338 frequenze da 0.3 a 16 MhZ.
Ionosfera-M sarà dotato di un sintetizzatore digitale in grado emettere 400 frequenze tra 0,1 a 20 MhZ con una cadenza di una scansione ogni 8”.
Il lancio, inizialmente pianificato per il 10 dicembre 2023, è stato spostato a maggio 2024 a causa di ulteriori controlli che stiamo eseguendo a terra per ridurre al massimo l’inconveniente comune a questo tipo di ionosonde: le interferenze.
Sebbene le nuone ionosonde abbiano potenze inferiori rispetto, ad esempio, a quelle montate sul modulo Priroda della stazione spaziale MIR, il problema delle interferenze con le altre apparecchiature non si può ancora dire risolto.  

Ringraziamo quindi il Dottor Sergei Pulinets per la grande cordialità e per la disponibilità dimostrata nel concedere questa interessante intervista che ci ha permesso di scoprire un campo di studi di grande importanza con risvolti pratici in tutti gli ambiti della vita dell’Umanità del XXI secolo.

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