Come ha fatto l’eruzione di Hunga‑Tonga a far tremare l’ionosfera giapponese?

Il 15 gennaio 2022 il vulcano Hunga‑Tonga ha esploso con una potenza tale da lanciare onde di pressione nell’atmosfera, le cosiddette onde Lamb. Queste onde hanno viaggiato per migliaia di chilometri, raggiungendo il Giappone in poche ore. Lì, i sensori barometrici hanno registrato picchi di pressione, mentre la rete GNSS GEONET ha mostrato variazioni nel contenuto totale di elettroni (TEC) dell’ionosfera.\n\nGli scienziati hanno identificato due fasi distinte. La prima, legata alle onde Lamb, ha prodotto leggere oscillazioni del TEC e gradienti modesti, con errori di posizionamento GNSS inferiori a 10 centimetri. La seconda fase è stata più drammatica: le bolle di plasma equatoriali (EPB) hanno creato turbolenze ionosferiche intense, generando gradienti di TEC molto più forti. In queste condizioni, le stazioni GNSS a bassa latitudine hanno registrato errori di posizionamento fino a mezzo metro, con picchi oltre il metro per il 95° percentile.\n\nQuesti risultati mostrano come un’eruzione vulcanica possa influenzare la precisione dei sistemi di navigazione satellitare, soprattutto nelle regioni più vicine all’equatore. Monitorare i gradienti ionosferici potrebbe diventare uno strumento utile per prevedere quando le prestazioni del GNSS saranno compromesse, aiutando a pianificare attività critiche come voli, agricoltura di precisione e telecomunicazioni.

L’eruzione di Hunga‑Tonga ha generato una perturbazione atmosferica di grande scala, caratterizzata da onde di pressione a bassa frequenza (onde Lamb) che si propagano quasi senza dispersione nella stratosfera. Queste onde sono solitamente associate a fenomeni sismici, ma l’energia rilasciata da un’eruzione vulcanica può produrre un impulso comparabile. Quando le onde Lamb raggiungono la ionosfera, la compressione e l’espansione dell’aria modificano la densità dei gas, alterando la distribuzione dei carichi elettrici e, di conseguenza, il contenuto totale di elettroni (TEC).\n\nIl primo evento osservato è stato caratterizzato da una variazione sinusoidale del TEC (dTEC) con ampiezza di pochi TECU (unità di contenuto elettronico), accompagnata da gradienti orizzontali di VTEC inferiori a 0,1 TECU/km. Queste variazioni hanno prodotto errori di posizionamento GNSS marginali, poiché i modelli di correzione ionosferica possono compensare rapidamente le fluttuazioni a bassa ampiezza.\n\nIl secondo evento, più intenso, è stato scatenato da bolle di plasma equatoriali (EPB). Le EPB si formano in condizioni di instabilità di tipo Rayleigh‑Taylor, tipiche delle regioni equatoriali durante il crepuscolo. L’eruzione ha fornito un impulso di energia che ha amplificato queste instabilità, generando strutture di densità elettronica di dimensioni da 10 a 100 km. Tali strutture creano gradienti di TEC superiori a 1 TECU/km, che non possono essere corretti con i modelli standard.\n\nLe conseguenze per il GNSS sono duefold: (i) aumento della scintillazione di segnale, che provoca perdita di lock e degradazione della fase carrier; (ii) errori di correzione ionosferica, poiché le mappe di TEC a risoluzione globale non catturano le variazioni locali. L’analisi dei dati GEONET ha mostrato che le stazioni a latitudini inferiori a 30° hanno sperimentato errori orizzontali medi di 0,5 m e percentili 95 % superiori a 1 m durante il picco EPB. Questi risultati suggeriscono che l’integrazione di osservazioni in tempo reale di gradienti ionosferici (ad esempio tramite reti di barometri e GNSS ad alta densità) possa migliorare la previsione di degradazione del servizio GNSS, fornendo avvisi tempestivi per applicazioni sensibili alla precisione.