L’atmosfera è lo strato gassoso che circonda il nostro pianeta confinato attorno alla Terra dall’azione del campo gravitazionale terrestre. L’atmosfera viene convenzionalmente suddivisa seguendo la variazione della sua temperatura rispetto alla quota. La bassa atmosfera viene identificata con la troposfera, regione in cui la temperatura diminuisce al crescere dell’altezza, la media-alta atmosfera comprende la stratosfera, dove la temperatura cresce con la quota, la mesosfera, dove la temperatura decresce all’aumentare dell’altezza, e la termosfera, dove la temperatura cresce nuovamente all’aumentare della distanza dalla superficie terrestre. L’esosfera è lo strato più esterno dell’atmosfera e può essere considerato il suo limite superiore. Per alta atmosfera si intende la regione che parte da una quota di circa 50 km, in mesosfera, e include la termosfera e l’esosfera. In alta atmosfera i gas sono parzialmente ionizzati e la densità di elettroni liberi è tale da influenzare la propagazione delle onde radio. Per questo motivo questa regione è detta ionosfera. Lo studio e il monitoraggio della ionosfera è, quindi, importante non solo nell’ambito puramente scientifico, ma anche per la comprensione e la previsione degli effetti dannosi che essa può causare alle comunicazioni radio e ai sistemi di posizionamento satellitare (GPS, GLONASS, Galileo).
L’attività dei ricercatori in questo campo consiste nello studio della morfologia e della dinamica della ionosfera e delle sue interazioni con le onde elettromagnetiche e dei parametri neutri (termosfera). Le ricerche sono focalizzate principalmente sulla radiopropagazione e sulla modellistica ionosferica su diverse scale spazio-temporali, dalle variazioni a lungo termine alla “climatologia ionosferica” alla meteorologia spaziale (Space Weather) per la caratterizzazione dei fenomeni geospaziali che causano variabilità dell’alta atmosfera. La climatologia descrive l’andamento su lunghi periodi (anni) della ionosfera, mentre il “weather” ionosferico è finalizzato alla caratterizzazione delle perturbazioni della ionosfera indotte dai fenomeni innescati dalle tempeste solari su tempi brevi (ore/giorni). I dati tramite i quali è possibile monitorare e studiare la ionosfera sono quelli raccolti dagli osservatori e dalle stazioni ionosferiche dell’INGV, da altri osservatori a terra e da missioni satellitari.
L’INGV gestisce una rete di osservatori ionosferici per il monitoraggio e lo studio dell’alta atmosfera ionizzata dotata di radar e ricevitori operanti in banda HF (High Frequency, 1-20 MHz) e in banda L (1-2 GHz), cui si affiancano stazioni per la misura dell’ozono stratosferico, della concentrazione di composti chimici nella media atmosfera (ad esempio H2O e O3) e del contenuto colonnare di vapor acqueo.
Visti gli effetti dannosi che la ionosfera può indurre sui sistemi tecnologici di comunicazione e di navigazione, il monitoraggio e lo previsione di tali effetti stanno diventando cruciali per la sicurezza delle operazioni basate sulla tecnologia che utilizza la propagazione delle onde radio. Tra queste applicazioni, una fra le più significative è l’assistenza all’aviazione civile. In questo ambito, l’INGV è membro del consorzio europeo che è stato selezionato dall’ICAO (International Civil Aviation Organization) come uno dei tre centri mondiali per la fornitura di un servizio globale di Space Weather per la sicurezza dell’aviazione civile. Per questo motivo il personale INGV è impegnato nello sviluppo di un servizio nazionale per lo Space Weather: le osservazioni provenienti dalle stazioni di misura di parametri geomagnetici e ionosferici sono rese disponibili all’interno delle sale di monitoraggio e sorveglianza al fine di garantire da un lato la continuità di importanti serie storiche di dati (utili per lo studio dei cambiamenti a lungo termine) e dall’altro propedeutici per lo sviluppo del servizio nazionale per lo Space Weather, orientato alla previsione di fenomeni che si esplicano nell’ambiente circumterrestre, soprattutto allo scopo di mitigare il loro effetto sui sistemi tecnologici.