È stato a lungo previsto che un'eclissi solare causerebbe un'onda di prua nella Terra ionosfera . L'eclissi dell'agosto 2017, chiamata la 'Grande eclissi americana' perché ha attraversato gli Stati Uniti continentali, ha dato agli scienziati la possibilità di testare questa previsione. Scienziati al MIT Osservatorio del pagliaio ha utilizzato più di 2.000 ricevitori GNSS (Global Navigation Satellite System) negli Stati Uniti continentali per osservare per la prima volta questo tipo di onda di prua.
La Great American Eclipse ha impiegato 90 minuti per attraversare gli Stati Uniti, con una totalità della durata di pochi minuti in qualsiasi luogo. Mentre l'ombra della Luna si muoveva attraverso gli Stati Uniti a velocità supersoniche, ha creato un rapido calo della temperatura. Dopo essere andati avanti, la temperatura è salita di nuovo. Questo rapido riscaldamento e raffreddamento è ciò che ha causato l'onda d'arco ionosferica.
L'onda d'arco stessa è costituita da fluttuazioni nel contenuto di elettroni della ionosfera. Il GNSS i ricevitori raccolgono dati molto precisi sul TEC (Total Electron Content) della ionosfera. Questa animazione mostra l'onda d'arco del contenuto di elettroni che si muove negli Stati Uniti.
I dettagli di questa onda di prua sono stati pubblicati in a carta di Shun-Rong Zhang e colleghi dell'Osservatorio Haystack del MIT e dell'Università di Tromso in Norvegia. Nel loro articolo, lo spiegano in questo modo: 'L'ombra dell'eclissi ha un movimento supersonico che [genera] onde di prua atmosferiche, simili a una barca fluviale in rapido movimento, con onde che iniziano nella bassa atmosfera e si propagano nella ionosfera. Il passaggio dell'eclissi ha generato chiare onde dell'arco ionosferico in disturbi del contenuto di elettroni provenienti dalla totalità principalmente negli Stati Uniti centro-orientali. Lo studio delle caratteristiche delle onde rivela complesse interconnessioni tra il sole, la luna e l'atmosfera neutra della Terra e la ionosfera».
La ionosfera si estende da circa 50 km a 1000 km di altitudine durante il giorno. Si gonfia quando le radiazioni del Sole raggiungono la Terra e si attenuano di notte. La sua dimensione è sempre fluttuante durante il giorno. Si chiama ionosfera perché è la regione in cui risiedono le particelle cariche create dalla radiazione solare. La ionosfera è anche il luogo in cui si verificano le aurore. Ma, cosa più importante, è dove si propagano le onde radio.
La ionosfera circonda la Terra, estendendosi da circa 80 km a 650 km. Immagine di credito: Goddard Space Flight Center/Duberstein della NASA
La ionosfera svolge un ruolo importante nel mondo moderno. Consente alle onde radio di viaggiare oltre l'orizzonte e influisce anche sulle comunicazioni satellitari. Questa immagine mostra alcuni dei complessi modi in cui i nostri sistemi di comunicazione interagiscono con la ionosfera.
Questo grafico mostra alcuni degli effetti che la ionosfera ha sulle comunicazioni. Immagine: Istituto nazionale di tecnologia dell'informazione e delle comunicazioni
C'è molto da fare nella ionosfera. Ci sono diversi tipi di onde e disturbi oltre all'onda di prua. Una migliore comprensione della ionosfera è importante nel nostro mondo moderno e l'eclissi di agosto ha dato agli scienziati la possibilità non solo di osservare l'onda di prua, ma anche di studiare la ionosfera in modo più dettagliato.
I dati GNSS utilizzati per osservare l'onda di prua sono stati fondamentali un altro studio anche. Anche questo è stato pubblicato sulla rivista Lettere di ricerca geofisica , ed è stato guidato da Anthea Coster dell'Osservatorio Haystack. I dati della rete GNSS sono stati utilizzati per rilevare il Total Electron Content (TEC) e il TEC differenziale. Hanno quindi analizzato quei dati per un paio di cose durante il passaggio dell'eclisse: la risposta latitudinale e longitudinale del TEC e la presenza di eventuali disturbi ionosferici viaggianti (TID) al TEC.
Le previsioni hanno mostrato una riduzione del 35% del TEC, ma il team è stato sorpreso di trovare una riduzione fino al 60%. Sono stati anche sorpresi di trovare strutture con un aumento del TEC sulle Montagne Rocciose, anche se questo non era mai stato previsto. Queste strutture sono probabilmente legate alle onde atmosferiche create nella bassa atmosfera dalle Montagne Rocciose durante l'eclissi solare, ma la loro esatta natura deve essere studiata.
Questa immagine dei dati GNSS mostra la struttura positiva del disturbo ionosferico viaggiante (TID) al centro della regione impoverita di TEC primaria. I triangoli contrassegnano le città all'interno o nelle vicinanze delle Montagne Rocciose. Immagine: Coster et. al.
'... un gigantesco esperimento celeste attivo fornito dal sole e dalla luna.' – Phil Erickson, assistente alla regia presso l'Osservatorio Haystack.
'Fin dai primi giorni delle comunicazioni radio, più di 100 anni fa, è noto che le eclissi hanno effetti ampi e talvolta imprevisti sulla parte ionizzata dell'atmosfera terrestre e sui segnali che la attraversano', afferma Phil Erickson, assistente alla regia di Haystack e capofila per il gruppo di scienze atmosferiche e geospaziali. “Questi nuovi risultati degli studi condotti da Haystack sono un eccellente esempio di quanto resta ancora da imparare sulla nostra atmosfera e le sue complesse interazioni osservando uno dei luoghi più spettacolari della natura: un gigantesco esperimento celeste attivo fornito dal sole e dalla luna. La potenza dei moderni metodi di osservazione, compresi i sensori radio remoti ampiamente distribuiti negli Stati Uniti, è stata la chiave per rivelare queste nuove e affascinanti caratteristiche».
La Great American Eclipse è andata e ritorno, ma i dati dettagliati raccolti durante quell''esperimento celeste' di 90 minuti saranno esaminati dagli scienziati per qualche tempo.