Giove 2030, la scienza italiana (e israeliana) a bordo della sonda JUICE

Ci vorranno ancora quindici anni per vederli in funzione, ma all'ESA si stanno ormai finalizzando i dettagli tecnici delle varie missioni scientifiche ospitate a bordo della sonda JUICE, che verrà lanciata nel 2022 e una volta giunta a destinazione, verso il 2030! andrà a studiare una quantità di aspetti fisici e morfologici di Giove e dei suoi principali satelliti. JUICE sarà dotato di undici tipologie di strumenti per altrettante sperimentazioni, dall'altimetria laser finalizzata a misurare le più piccole deformazioni gravitazionali del pianeta, fino a sofisticati rilevamenti magnetici. Il mio interesse riguarda due esperimenti di "radio science" ai due estremi spettrali delle ELF e della banda Ka delle microonde, che studieranno, rispettivamente, diversi aspetti delle caratteristiche magneto-plasmatiche del sistema gioviano e i suoi più intimi segreti geofisici, atmosferici e gravitazionali. 

In particolare questo secondo payload scientifico, il 3GM (Gravity and Geophysics of Jupiter and the Galilean Moons) è coordinato da un gruppo dell'Università romana La Sapienza e ha tra i suoi obiettivi lo studio degli oceani d'acqua che secondo i planetologi potrebbero nascondersi sotto la superficie del satellite Io. Per determinare la presenza dell'acqua JUICE deve misurare le eventuali maree provocate dalla spinta gravitazionale del pianeta gigante. Un metodo per studiare con precisione certe fluttuazioni si basa sull'effetto di "radiooccultamento" atmosferico sulle microonde che verranno inviate da terra e vi ritorneranno dopo essere rimbalzate dai ripetitori di JUICE attraversando l'atmosfera che avvolge i corpi planetari e satellitari.  

Lo strumento in mano agli scienziati del 3GM sarà un transponder satellitare unito a un oscillatore ad altissima precisione, messo a punto dall'israeliana AccuBeat (noto specialista di orologi atomici e frequenzimetri) e attualmente studiato e certificato da un gruppo dell'istituto Weizmann, di Tel Aviv. Di questo gruppo fa parte, come ricercatrice postdoc, una giovane ingegnere romana, Marzia Parisi, uno dei tre nomi citati da questo articolo appena pubblicato da Yeda Research and Development, la società che si occupa del trasferimento tecnologico delle invenzioni del Weizmann. Una bella soddisfazione per la ricerca italiana, sempre molto ben rappresentata a livello internazionale.

Israeli Instrument Bound for Jupiter
Weizmann Institute scientists are planning an experiment for a mission to the giant planet
Sometime in the year 2030, if all goes according to plan, some dozen groups around the world will begin receiving unique data streams sent from just above the planet Jupiter. Their instruments, which will include a device designed and constructed in Israel, will arrive there aboard the JUICE (JUpiter ICy satellite Explorer) spacecraft, a mission planned by the European Space Agency (ESA) to investigate the properties of the Solar System’s largest planet and several of its moons. Among other things, the research groups participating in JUICE hope to discover whether the conditions for life exist anywhere in the vicinity of the planet.
“This is the first time that an Israeli-built device will be carried beyond the Earth’s orbit,” says Dr. Yohai Kaspi of the Weizmann Institute’s Earth and Planetary Sciences Department, who is the principle investigator on this effort. The project, conducted in collaboration with an Italian team from the University of Rome, is called 3GM (Gravity & Geophysics of Jupiter and Galilean Moons).
The Israeli contribution to the project is an atomic clock that will measure tiny vacillations in a radio beam provided by the Italian team. This clock must be so accurate it would lose less than a second in 100,000 years, so Kaspi has turned to the Israeli firm AccuBeat, which manufactures clocks that are used in high-tech aircraft, among other things. Its engineers, together with Kaspi and his team, including Dr. Eli Galanti and Dr. Marzia Parisi, have spent the last two years in research and development to design a device that should not only meet the strict demands of the experiment but survive the eight-year trip and function in the conditions of space. Their design was recently approved for flight by the European Space Agency. Israel’s Ministry of Science and Technology will fund the research, building and assembly of the device.
For around two and a half years as JUICE orbits Jupiter, the 3GM team will investigate the planet’s atmosphere by intercepting radio waves traveling through the gas, timing them and measuring the angle at which the waves are deflected. This will enable them to decipher the atmosphere’s makeup.
During flybys of three of the planet’s moons – Europa, Ganymede and Callisto – the 3GM instruments will help search for tides. Researchers observing these moons have noted fluctuations in the gravity of these moons, suggesting the large mass of Jupiter is creating tides in liquid oceans beneath their hard, icy exteriors. By measuring the variations in gravity, the researchers hope to learn how large these oceans are, what they are made of, and even whether their conditions might harbor life. The JUICE teams are preparing for a launch in 2022. That gives them three years to get the various instruments ready and another three to assemble and test the craft. In the long wait – eight years – from launch to arrival, Kaspi intends to work on building theoretical models that can be tested against the data they will receive from their instruments. 

Per approfondire in senso scientifico gli obiettivi di 3GM e dell'altro esperimento, svedese, del Radio & Plasma Wave Instrument (RPWI, destinato tra l'altro a collaborare con il gruppo italiano), sul sito ESA trovate uno Yellow e un Red Book molto dettagliati.

ESA Deep Space Antennas: un quasar per GPS

A volte resto sorpreso per i contenuti che vengono divulgati dai quotidiani italiani, spesso vittime di parecchie lacune  in materia di comunicazione scientifica. Questa volta è esattamente contrario. Sulla home di Repubblica.it viene segnalato un articolo della sezione Scienze dedicato al "GPS spaziale" che risulterà abbastanza esoterico per la maggior parte dei lettori. Si tratta invece di un bell'approfondimento sul sistema Delta-DOR (Differential, One-way ranging), utilizzato dall'ente spaziale europeo per il tracciamento di satelliti e sonde. Delta-DOR è un classico sistema di ranging basato su calcoli di fase tra due o più segnali radio. La particolarità è che nel suo caso vengono impegnate antenne radiotelescopiche per effettuare tali misurazioni sfruttando un punto di riferimento "fisso" d'eccezione: i quasar posizionati nella stessa linea di visuale della sonda di cui si vuole determinare la posizione e la velocità. Fare questi calcoli puntando solo le sonde stesse può essere più problematico perché il segnale radio, attraversando mezzi non uniformi come la ionosfera e la troposfera, subisce alterazioni imprevedibili e difficili da compensare.

Il sistema è diventato ancora più preciso a partire da metà 2000, quando è entrata in funzione la seconda "Deep Space Antenna" dell'ESA a Cebreros, nei dintorni di Madrid. A oggi DSA è costituita da tre paraboloidi in Spagna, a Malargüe in Argentina e New Norcia in Australia. Repubblica fornisce una spiegazione discreta, ma per una analisi più ufficiale e completa si può fare riferimento a questo articolo dell'ESA e soprattutto il paper pubblicato sull'ESA Bulletin del novembre 2006. 

Missione SWARM: l'ESA scende in campo magnetico

La missione SWARM, lanciata in questi giorni dall'ESA promette di essere molto interessante. Si tratta di tre satelliti con sofisticati strumenti di misura magnetica orbitanti a circa 500 km di quota. Il loro obiettivo è misurare con estrema precisione e livello di dettaglio le variazioni del campo magnetico terrestre, un sistema molto variabile per intensità e orientamento (capace addirittura di invertire compleamente la sua polarità, come alcuni sospettano possa avvenire su scale di tempo ravvicinate) che ci protegge dalle radiazioni cosmiche e interagisce con l'elettromagnetismo solare, con meccanismi ancora in larga parte sconosciuti che influiscono sul fenomeni come la propagazione delle onde radio, ma anche sulla dinamica dell'atmosfera, così importante per la stabilità delle orbite satellitari.

L'ESA ha pubblicato una bellissima brochure che descrive SWARM, tutti i suoi strumenti e le finalità. Scaricatela qui.

ESA, la missione Cluster insegue gli ioni in fuga

Ignoravo totalmente il fenomeno descritto in questo articolo dedicato ai primi risultati della missione delle sonde Cluster. L'ESA spiega che in corrispondenza dei poli l'alta atmosfera terrestre "perde" un piccolo flusso di ioni di ossigeno e atri gas, che seguendo le linee di flusso magnetico vengono prima intrappolati nella magnetosfera e in seguito rientrano in parte nelle quote superiori dell'atmosfera. In base a un meccanismo ancora non del tutto spiegato questi ioni ricevono una forte accelerazione e al loro rientro, fortemente energizzati, rischiano di provocare danni ai satelliti e alle missioni spaziali. Dalla missione Cluster ci si aspetta appunto un chiarimento, grazie alla distribuzione spaziale delle sonde che consente di analizzare gli eventi in una prospettiva diversa. Chissà che i flussi di particelle rientranti non contribuiscano in qualche modo ad alimentare i meccanismi delle aurore polari e ad altri fattori che influiscono sulla propagazione dei segnali radio.

ESA Science & Technology
28-Aug-2008

Cluster examines Earth-escaping ions

27 Aug 2008
Oxygen ions are constantly escaping from the Earth's upper atmosphere through the magnetic polar caps. This has long been observed but the underlying mechanism has eluded scientists - until now. A recent study reports the first experimental assessment of a physical mechanism that makes a significant contribution to the acceleration of oxygen ions towards the centre of the terrestrial magnetic tail, along magnetic field lines. This assessment was made possible as a result of several years of data collected by the European Space Agency's Cluster mission.

Figure 1 Artist’s impression of the magnetosphere of an exoplanet (NASA/ESA)

Figure 2 Illustration of ions flowing out from the polar cap towards the magnetotail (NASA/ESA)

Prior to the space age, scientists believed that the magnetic environment of Earth was mainly filled with particles of solar origin forming an immense comet-like cloud of electrified gas surrounding our planet (see Figure 1).
Later, observations with scientific satellites surprisingly revealed that oxygen, helium and hydrogen ions from the Earth's upper atmosphere leaked into space from regions near the Earth's poles, (see Figure 2).
This is no cause for concern. This leakage is tiny compared to the volume of the Earth's atmosphere, but it has changed our vision of the composition of the Earth's environment. The magnetosphere is now known to be partially filled by a fountain of energized gas blowing from each of Earth's poles (see, for example, Huddleston et al., 2005).
Satellites in the 1980s and 1990s revealed an intriguing fact about these escaping particles: the higher in altitude they are observed, the more energy or velocity they have. Some of these accelerated particles are lost in space but the rest of them accumulate in the center of the magnetic tail, or plasmasheet, and eventually return back to Earth in a kind of boomerang effect. Moreover, this input in terms of density increases significantly during periods of geomagnetic disturbance as reported by Lennartsson and Shelley (1986) who found that the average density of oxygen ions can increase by almost an order of magnitude with respect to quiet times in the plasma sheet at a distance of between 10 to 23 Earth radii (1 Earth radius or RE = 6378 km).
In other words, low-energy particles from the upper atmosphere escape, are accelerated on the way, provide a significant input of matter to the plasma sheet from where some of them return back to Earth with high-energy, thus becoming a hazard for satellites and astronauts. But how can they be accelerated and escape the Earth's gravity field?
Several possible acceleration mechanisms have been proposed by space scientists but determining which one is dominant, if any, is still the subject of hot debate. In spite of decades of measurements in space, this topic remains an open question due to the fact that it is experimentally challenging to assess quantitatively the role of any acceleration process. For instance, the distances involved are considerable (tens of thousands of kilometres). Moreover, this phenomenon has to be understood in terms of spatial and temporal evolution. Thus, a quantitative assessment requires several years of data collection and, ideally, data from a constellation of satellites since assumptions have to be made when interpreting data gathered by a single scientific satellite.
A recent study reports the first statistical investigation of outflowing oxygen ion beams collected over a three year period (2001 to 2003) by the four Cluster satellites flying in constellation at between 5 RE and 12 RE over the polar regions. For the first time, the role of a specific acceleration process for such outflowing oxygen ions, called centrifugal acceleration (see Cladis, 1986), is quantitatively assessed in the polar cap at high altitude without any assumptions related to observations by a single satellite.

Figure 3 Distribution of the observed parallel velocities (blue bars) and the parallel velocity resulting from the cumulative centrifugal acceleration observed at all altitudes below each observation point (red bars).(Credit: Nilsson et al., 2008)

"Four spacecraft was exactly what we needed to fully estimate all terms of a textbook equation describing the centrifugal acceleration mechanism, a well known physical process to accelerate outflowing oxygen ions along magnetic field lines towards the plasma sheet", comments Dr. Hans Nilsson, lead author of this study.
Centrifugal acceleration can be regarded as a sling-shot effect that occurs when ions are moving across magnetic field lines, whose shape changes in the presence of an electric field. When ions move over a polar cap of Earth, the changing shape of the magnetic field lines bends the drift path induced by the electric field normal to the magnetic field. The centrifugal acceleration associated with this bending shoots the ions away from the Earth along the magnetic field lines. This effect provides more energy to heavy ions like oxygen compared to the lighter helium ions and protons. It is the changing shape of the field-lines that can be resolved by the use of the four Cluster spacecraft.
"And it turns out that the role of the centrifugal acceleration mechanism is significant and may explain a large fraction of the parallel velocities observed at high altitude above the polar caps", reports Nilsson in his paper published in the 4 February 2008 issue of Annales Geophysicae.
"This scientific discovery is an excellent example of what can be done with the four satellites of the Cluster mission", says Philippe Escoubet, Cluster project scientist at the European Space Agency.

Reference publication

Nilsson, H., et al., "An assessment of the role of the centrifugal acceleration mechanism in high altitude polar cap oxygen ion outflow", Ann. Geophys., 26, 145-157, 2008.

Related publications

Huddleston, M. M., et al., "An examination of the process and magnitude of ionospheric plasma supply to the magnetosphere", J. Geophys. Res., 110, A12202, 2005, DOI:10.1029/2004JA010401.
Cladis, J. B., "Parallel acceleration and transport of ions from polar ionosphere to plasma sheet", Geophys. Res. Lett., 13, 893-896, 1986.
Lennartsson, W., & Shelley, E. G., "Survey of 0.1- to 16- keV/e plasma sheet ion composition", J. Geophys. Res., 91, 3061, 1986.

ESA: radio digitale dal satellite in pensione

Grazie a Hirschler.net, il blog sulla radio digitale, ho avuto modo di recuperare una notizia che mi era completamente sfuggita. Era comparsa sul sito della BBC a metà febbraio e si riferiva a una presentazione avvenuta a fine gennaio in Olanda, dove l'Agenzia Spaziale Europea ESA ha presentato un progetto denominato Ku-Band Multimedia for Cars. Si tratta di un'ambiziosa ricerca sulla fattibilità di una rete satellitare per avanzati servizi multimediali e radiofonici rivolti al pubblico degli automobilisti europei, su modello di analoghe reti satellitari americane o del progetto Worldspace. Con due fondamentali differenze. Innanzitutto il progetto mira a utilizzare gli attuali satelliti televisivi geostazionari in banda Ku (non in banda L), in particolare quelli che stanno arrivando alla fine del loro ciclo di vita e non possono più garantire una stabilità sufficiente per la ricezione con parabole fisse. I partner tecnologici dell'ESA stanno studiando modalità e antenne speciali per rendere possibile la ricezione anche in queste condizioni.

La seconda particolarità è che i servizi proposti non sarebbero propriamente in streaming. Invece di trasmettere un programma in tempo reale, i satelliti servirebbero a diffondere file multimediali da conservare nella memoria cache dei ricevitori veicolari. Una volta "ricomposta", questa trasmissione in differita può essere ascoltata a piacimento dagli automobilisti. Perché questa apparente complicazione? Perché la radio in differita consentirebbe di fare a meno della rete di "gap fillers" terrestri, i trasmettitori a bassa potenza che nel caso di reti come Sirius o Worldspace servono per illuminare le zone non coperte dal cielo, come gallerie e sottopassaggi, ed evitare i buchi nella ricezione. Sul sito dell'ESA si trovano molte informazioni e grafici. Parte del materiale richiede una password d'accesso che potete provare a richiedere, ma la documentazione aperta è già molto esaustiva. Qui per esempio c'è una descrizione molto completa. Secondo l'ESA il sistema, oltre che più economico visto che permetterebbe di risparmiare sul lancio di nuovi satelliti, risulterebbe avere una efficienza analoga a quella delle reti satellitari in banda L. Viene prevista anche la possibilità di servirsi di reti GPRS/UMTS come canali di ritorno per l'interattività Da qui a ipotizzare una possibile entrata in funzione dei futuri servizi, tuttavia, ce ne corre. Stiamo parlando ancora di prototipi, di sistemi che devono ancora essere testati su scala più estesa. E che forse, chissà, probabilmente non vedremo mai.