Spazio e Scienze

Falcon 9 e onda d’urto: cosa succede al decollo di un razzo

Di recente sta girando all'impazzata l'esito di una ricerca scientifica secondo la quale il Falcon 9 di SpaceX decollato il 24 agosto 2017 dalla base aeronautica di Vandenberg in California avrebbe provocato "un buco temporaneo nell'atmosfera". Abbiamo chiesto ai nostri consulenti quanto sia corretta questa notizia, e abbiamo concluso che sia la notizia sia la fonte sono serie, ma è opportuna qualche precisazione.

Cerchiamo quindi di fare chiarezza affidandoci all'abstract accessibile pubblicamente; purtroppo il paper originale non è consultabile liberamente, per quanto sarebbe buon uso concedere a tutti e senza restrizioni l'accesso alle produzioni scientifiche.

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Lancio di un Falcon 9 da Cape Canaveral

La sostanza è che il Falcon 9 in quell'occasione ha generato onde d'urto circolari che, interagendo con il plasma della ionosfera, hanno creato una reazione che ne ha disturbato la struttura usuale. Ricordiamo che la ionosfera è una regione dell'atmosfera superiore che si estende da circa 60 a circa 450 chilometri sopra la superficie terrestre. È essenzialmente un "guscio" di elettroni e particelle cariche chiamate plasma, create dalle radiazioni ultraviolette del Sole.

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Atmosfera, crediti:  OO-C74 da Wikipedia 

 

Quello che si è verificato è un evento inusuale che non avviene in concomitanza di tutti i lanci di missili, e che per questo motivo ha creato curiosità e meritato un'indagine approfondita. Indagine che torna utile anche per far capire ai non addetti ai lavori che cosa succede nell'atmosfera terrestre durante il lancio di un razzo.

Partiamo precisando che tutti i lanci di razzi creano onde d'urto, ossia disturbi atmosferici con onde che viaggiano più velocemente della velocità del suono. Non possono essere viste a occhio nudo, ma vengono rilevate, per esempio, mediante i ricevitori GPS che monitorano l'atmosfera. Nella maggior parte dei casi, quando osservate dallo Spazio, queste onde d'urto hanno una caratteristica forma a V. Il motivo è che subito dopo la spinta verticale che occorre per far innalzare il razzo, viene impostata una traiettoria curva che consente da una parte di sottoporre il carico a meno sollecitazioni, dall'altra di ridurre gli effetti della gravità.

Il Falcon 9 lanciato il 24 agosto aveva una particolarità che lo distingueva da altri lanci: a bordo trasportava un carico utile molto leggero (un solo satellite per l'osservazione terrestre, il FORMOSAT-5, del peso di 475 Kg), perché a seguito dell'incidente del 1 settembre 2016 il lancio è stato riprogrammato e il FORMOSAT-5 era l'unico carico disponibile (se fosse stata rispettata la data originaria di lancio ci sarebbero stati più satelliti). Considerato il peso quindi non è stato necessario far assumere al razzo una traiettoria curvilinea, e il Falcon 9 ha viaggiato quasi in verticale, consegnando il satellite all'altitudine prevista di 720 chilometri.

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Crediti: Charles Lin/Space Weather/AGU

Sembra un dettaglio da poco, ma questo ha fatto sì che l'onda d'urto generatasi nell'atmosfera non fosse a forma di V, ma circolare. Per capire facciamo riferimento al solito esempio del sasso nello stagno che torna buono anche con le onde gravitazionali, per esempio. Se vi posizionate sulla riva di uno stagno e lanciate un sasso in modo che tenga una traiettoria radente all'acqua vedrete formarsi delle piccole increspature a forma di cono in corrispondenza del punto di contatto con la superficie. Se vi arrampicate sul ramo di un albero e lasciate cadere verticalmente il sasso nell'acqua da un'altezza di qualche metro vedrete che le increspature saranno circolari e decisamente più ampie e marcate.

Questo è grossomodo quello che è accaduto nell'atmosfera con il lancio del 24 agosto: per via della traiettoria più verticale che ha seguito il Falcon 9, l'onda d'urto atmosferica che si è verificata è stata circolare e quattro volte più grande della California, secondo i calcoli dello studio a cui facciamo riferimento. Tecnicamente parlando non si può identificare un "buco" nell'atmosfera, piuttosto di un'area più ampia del solito in cui si è verificata un'oscillazione della quantità di plasma presente nella ionosfera.

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Crediti: Left: Charles Lin/Space Weather/AGU; Right: NASA

I ricercatori parlano della "più grande onda d'urto circolare" che abbiano mai visto: "abbiamo visto molti casi di disturbi atmosferici prodotti dai razzi, ma non c'è mai stato un effetto perfettamente circolare e che interessasse un'area tanto vasta" ha detto Charles Lin, geofisico della National Cheng Kung University di Taiwan e autore principale dello studio. Lin ha aggiunto che l'unica onda d'urto di forma simile che avesse visto fu causata dall'eruzione del vulcano russo Sarychev nel giugno 2009.

Se vi state chiedendo perché investire tempo per studiare fenomeni come questo, la risposta è semplice: è importante per gli scienziati capire come i lanci dei razzi influenzano l'atmosfera, perché i disturbi atmosferici possono interferire con tecnologie come per esempio il sistema di posizionamento globale. Nel caso del lancio del FORMOSAT-5, il disturbo nella ionosfera terrestre ha provocato un errore di posizionamento dei GPS fino a un metro per un tempo massimo di due ore dopo il lancio, perché i segnali GPS devono attraversare la ionosfera per raggiungere la superficie terrestre. La velocità alla quale i segnali viaggiano cambiano all'oscillare della quantità di plasma presente nella ionosfera. L'errore nel caso specifico è stato tale da poter creare potenziali problemi all'aviazione civile e militare, per esempio.

Lin ha inoltre intuito che l'effetto più o meno accentuato delle onde d'urto generate dai razzi durante il lancio può essere più o meno intenso a seconda dell'attività solare: durante i periodi in cui l'attività solare è elevata, le modifiche alla ionosfera indotte dai razzi potrebbero essere amplificate, inducendo errori ancora maggiori nel posizionamento GPS. Morale: nell'ottica di un futuro in cui i lanci di razzi saranno sempre più frequenti, diventa fondamentale studiare gli effetti che hanno sulla ionosfera al fine di prevenire eventuali problemi ai trasporti.

 


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