La Scienza di Samantha: ASIM

L’Atmosphere-Space Interactions Monitor (ASIM) è un’apparecchiatura per l’osservazione della Terra finalizzata allo studio dei violenti fenomeni temporaleschi e del loro ruolo nell’atmosfera e nel clima del nostro pianeta.

Gli eventi energetici dell’alta atmosfera, noti come eventi luminosi transienti (Transient Luminous Event – TLE) o i lampi terrestri di raggi gamma (Terrestrial Gamma ray Flashes – TGF), si manifestano molto al di sopra delle quote dove accadono le normali fulminazioni e dove risiedono la nubi temporalesche, e avvengono con un processo di scarica di elettroni, il quale è ritenuto essere il meccanismo responsabile di questi fenomeni. ASIM studia queste scariche elettriche di alta quota e le loro interazioni con gli altri atomi presenti nell’alta atmosfera dalla piattaforma esterna del modulo europeo Columbus della Stazione Spaziale Internazionale.

Panoramica

Le più comuni osservazioni fatte dal suolo o dagli aerei, sono gli sprite, ovvero delle scariche elettriche che avvengono nella mesosfera. Altre classi di fenomeni sono i blue jet (una scarica di colore blu che, partendo dalla sommità delle nubi, si propaga verso l’alto) e gli elves (un bagliore fioco e in espansione, appiattito, che dura solo un millisecondo, causato da atomi eccitati dall’impulso elettromagnetico di un fulmine sul bordo inferiore della ionosfera). Alcune osservazioni hanno ulteriormente documentato delle enormi scariche provenienti dalle sommità delle nubi temporalesche che si estendono fino al limite inferiore della ionosfera. I lampi di raggi gamma terrestri sono un altro tipo di fenomeno che avviene al di sopra delle zone temporalesche. Delle evidenze osservative suggeriscono che una particolare tipologia di elettroni che subiscono delle accelerazioni nel regno delle particelle relativistiche, scaricandosi diano vita ai fenomeni transienti come sprite, fulmini e flash di raggi gamma.

Gli obiettivi scientifici

ASIM monitora i suddetti fenomeni dalla piattaforma esterna del laboratorio europeo Columbus, fornendo i dati globali più completi sugli eventi luminosi transitori e sui lampi di raggi gamma terrestri nella regione di atmosfera al di sopra dei forti temporali, al fine di determinarne i meccanismi fisici e come essi sono collegati ai fulmini temporaleschi. ASIM inoltre quantifica gli effetti delle onde di gravità sulla mesosfera, studia la formazione di nubi d’alta quota e determina le caratteristiche dei temporali che perturbano l’atmosfera di alta quota. Qualsiasi miglioramento nella conoscenza dei processi che si verificano nell’atmosfera terrestre può aiutare a migliorare i modelli atmosferici e quindi le previsioni climatologiche e meteorologiche.

Il team di ASIM

Il principale appaltatore è la danese Terma, mentre la strumentazione scientifica è stata sviluppata dall’Università Tecnica della Danimarca, dall’Università di Bergen, Norvegia, dall’Università di Valencia, Spagna, dal centro di ricerca spaziale dell’accademia polacca delle scienze, dall’istituto nazionale di tecnologia aerospaziale spagnolo e dalla OHB Italia.

ASIM è gestito dal Belgian User Operator Center (B.USOC) connesso alle stazioni di terra dell’ISS, in supporto al Columbus Control Center (COL-CC) di Oberpfaffenhofen e allo Houston Mission Control Center.

Sono già diverse le scoperte effettuate da ASIM: per esempio, sembra proprio che le esplosioni di raggi gamma terrestri avvengano prima delle fulminazioni. I dati raccolti sono gestiti dall’ASIM Science Data Centre inoltre sono già stati pubblicati alcuni lavori su delle riviste specializzate. Altre informazioni scientifiche sono reperibili a questo link.

Benché sia stato progettato per osservare le scariche elettriche prodotte dai temporali nell’atmosfera terrestre superiore, ASIM ha recentemente rilevato un’esplosione di raggi gamma davvero unica proveniente dallo spazio esterno.
Si è scoperto che questo lampo di raggi gamma è stato originato da un gigantesco flare esplosivo proveniente da un magnetar a 10 milioni di anni luce in una lontana galassia. I magnetar sono dei particolari tipi di stelle di neutroni (il nocciolo collassato di quello che una volta era una stella supergigante). L’analisi di questo fortuito evento è stata pubblicata nel numero di dicembre 2021 della rivista Nature.

Nel seguente filmato l’astronauta dell’ESA Andreas Mogensen illustra i fenomeni luminosi che ha filmato sull’India dall’osservatorio Cupola della Stazione Spaziale Internazionale nel settembre 2015.

Applicazioni

I risultati di ASIM migliorano le conoscenze in diverse aree relative allo spazio, inclusi gli effetti dei temporali sulla ionosfera e forniscono anche informazioni sulla distribuzione delle meteore nell’ambiente terrestre, quantificando il loro effetto nell’atmosfera.

Per quanto riguarda il nostro pianeta, ASIM migliora la conoscenza degli effetti delle tempeste di sabbia, dell’inquinamento nelle grandi città, degli incendi delle foreste, della formazione ed elettrificazione delle nubi vulcaniche, dell’intensificazione degli uragani e la sua relazione con le fulminazioni. Naturalmente, ogni miglioramento nella conoscenza dei processi che avvengono nell’atmosfera terrestre può aiutare a migliorare i modelli atmosferici e quindi le previsioni meteorologiche e climatologiche.

ASIM visto da vicino

L’osservatorio climatico ASIM è stato portato in orbita il 2 aprile 2018, con la Dragon CRS-14 lanciata da un Falcon 9 di SpaceX, ha una massa di 314 kg e misura 122×134×99 cm. Dopo qualche giorno, il 13 aprile 2018, il Canadarm2 della Stazione e il manipolatore DEXTRE manovrati da Houston, hanno prelevato ASIM dalla sezione non pressurizzata del cargo Dragon per installarlo sulla piattaforma esterna del laboratorio europeo Columbus.

È previsto che la durata della missione vada da un minimo di 3 anni ad un massimo di 7; al momento ASIM è pianificato per essere in funzione almeno fino al 2023.

Essendo montato su una piattaforma esterna alla stazione, ASIM non è adoperato direttamente dagli astronauti a bordo dell’ISS, ma, trattandosi di un esperimento europeo molto interessante installato sull’esterno del laboratorio europeo Columbus, abbiamo ritenuto doveroso inserirlo nella nostra piccola disamina degli esperimenti in corso durante la missione di Samantha Cristoforetti al fine di sottolineare ancora una volta il fondamentale ruolo della ricerca scientifica e tecnologica europee guidate dall’ESA.

Il 10 gennaio 2022 ASIM è stato spostato in un’altra posizione sempre all’esterno di Columbus, per fare posto al payload di un dimostratore tecnologico statunitense. In questa nuova posizione, i sensori dell’esperimento europeo possono osservare l’atmosfera terrestre non più sulla verticale diretta, ma verso l’orizzonte.

Il payload di ASIM consiste di quattro sottosistemi: CEPA (Columbus External Payload Adapter), DHPU (Data Handling and Power Unit), MXGS (Modular X and Gamma Ray Instrument) e MMIA (Modular Multi-Imaging Assembly).

CEPA e DHPU formano la piattaforma strutturale ed elettrica per tutti i servizi agli strumenti scientifici MXGS e MMIA. DHPU, MXGS e MMIA sono montati sopra CEPA.

MGXS è dotato di due set di rilevatori per i flash gamma terrestri; quello a bassa energia è sensibile nel campo dai 15 keV ai 400 keV, mentre il detector per le alte energie è attivo dai 200 keV ai 40 MeV. I dati raccolti vengono poi processati da algoritmi che permettono di individuare la direzione di provenienza della fonte del TGF. Sovrapponendo la direzione del TGF con le immagini ottiche dello strumenti MMIA, è possibile correlare le fulminazioni con gli eventi luminosi transienti (TLE).

ASIM usa le osservazioni ottiche in alcune bande selezionate specificatamente per filtrare i dati relativi ai TLE da tutti i dati relativi alle fulminazioni; quindi, i dati raccolti vengono elaborati dal software di bordo. MIIA è in grado di osservare 12 fotogrammi al secondo nelle bande che vanno dai 777,4 nm ai 337 nm, con una risoluzione di 5 nm. Questi dati, combinati con quelli del fotometro da 100 kHz permettono di ottimizzare e ridurre le dimensioni dei dati al fine di incontrare le capacita di downlink allocate ad ASIM dal network delle comunicazioni della Stazione.

ASIM è progettato per osservare le regioni di atmosfera sopra e sotto i violenti temporali in due diverse modalità. Nella modalità standard, i rilevatori sono sempre accesi e misurano continuamente. Quando l’evento atmosferico si verifica, esso viene rilevato e riconosciuto dal software di bordo e tutti i dati relativi a esso vengono elaborati e memorizzati. Nella modalità programmata di attivazione tempo/luogo, l’inizio e la durata dell’osservazione vengono pianificate in anticipo. Una volta eseguita l’osservazione, i dati ottenuti vengono elaborati e memorizzati. Il team scientifico pianifica questo tipo di osservazioni con un anticipo di almeno 24 ore.

Breve documentario sulla realizzazione di ASIM:

Galleria fotografica di ASIM su Flickr.

Fonti: ESA; TERMA; NASA; ASIM Science Data Centre; Wikipedia