Missione PACE: l’arcobaleno in aiuto degli oceani

La nuova missione della NASA, PACE (Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem), attualmente in fase di ultimazione e il cui lancio è previsto per il 2023, andrà ad ampliare la già vasta mole di dati che da oltre 20 anni l’agenzia spaziale statunitense sta raccogliendo sulla biologia marina globale, gli aerosol e le nubi.

La strumentazione ad alta risoluzione del satellite studierà le caratteristiche degli oceani e dell’atmosfera fino a un dettaglio senza precedenti, misurando l’intensità del colore emesso dalla superficie degli oceani terrestri, e riuscendo a studiare approfonditamente il fitoplancton. Il fitoplancton è quell’insieme di organismi fotosintetizzanti presenti nel plancton, in grado di sintetizzare sostanze organiche a partire dalle sostanze inorganiche disciolte nelle acque, utilizzando la radiazione solare come fonte di energia. Il fitoplancton è alla base della catena alimentare in quasi tutti gli ecosistemi acquatici, ed è il responsabile della produzione della metà dell’ossigeno totale prodotto dai vegetali sul nostro pianeta. Le comunità di fitoplancton benefico alimentano la pesca, ma le fioriture di alghe dannose o Harmful Algal Blooms (HAB) possono essere velenose per animali ed esseri umani, oltre a danneggiare il turismo e l’industria della pesca.

Il satellite e la sua strumentazione scientifica

Un team dedicato del Goddard Space Flight Center (GSFC) della NASA sta conducendo PACE passo dopo passo attraverso le varie fasi dello sviluppo dello spacecraft e della sua strumentazione scientifica.

Lo strumento scientifico principale è l’Ocean Color Instrument (OCI), il quale sarà letteralmente in grado di misurare il colore degli oceani, nel range del visibile dello spettro elettromagnetico, dall’ultravioletto all’infrarosso ad onde corte. PACE ospiterà anche due polarimetri per la misura della luce polarizzata: lo Spectro-polarimeter for Planetary Exploration (SPEXone) e l’Hyper Angular Research Polarimeter (HARP2). Essi vengono forniti rispettivamente da un consorzio olandese e dall’Università di Maryland, Baltimore County.

Lavorando assieme, SPEXone ed HARP2 forniranno dei campionamenti spettrali e angolari complementari, accuratezza polarimetrica, e copertura spaziale. Lavorando in sinergia, le strumentazioni scientifiche di PACE sono destinate a far fare un enorme balzo in avanti nel campo delle ricerche sulle relazioni fra gli aerosol, gli oceani e le nubi.

Lo scorso febbraio PACE ha superato la Mission Critical Design Review (MCDR), durante la quale è stata valutata l’integrità del suo progetto, i suoi margini di rischio e le sue limitazioni progettuali relativamente alle risorse disponibili. In aprile è iniziata la fase di integrazione e dei test di validazione della sua suite di strumenti scientifici, mentre per il mese di settembre è prevista la fase di assemblaggio del veicolo spaziale, con le relative procedure di verifica e di validazione. Al termine di questi processi l’osservatorio PACE verrà spedito al sito di lancio di Cape Canaveral nell’agosto del 2022.

Il veicolo spaziale peserà 1.700 kg e opererà in un’orbita eliosincrona di 676,5 km con un’inclinazione di 98°. Da questa quota potrà garantire una risoluzione media al nadir di 1 km² e una copertura totale del globo terrestre ogni due giorni con un’angolazione strumentale di 60°. I circa 1,7 TB di dati raccolti dagli strumenti nel corso di 7 orbite consecutive, verranno stivati e poi inviati al suolo a una velocità di 600 Mb/s.

I colori dell’arcobaleno in aiuto della scienza

Le intensità e le lunghezze d’onda dei colori emessi dagli oceani sono importanti per gli scienziati. Le differenti specie di fitoplancton e le altre sostanze presenti in un corpo d’acqua assorbono e riflettono luce di differenti colori (lunghezze d’onda): l’acqua degli oceani aperti appare blu, l’acqua in cui è presente molto fitoplancton risulta essere spesso verde o turchese, mentre l’acqua nei pressi delle coste è marrone a causa dei sedimenti in sospensione e del materiale organico disciolto. PACE sarà in grado di risolvere le piccole differenze fra questi colori nel campo del visibile, con un grado di dettaglio mai ottenuto prima.

Il suo strumento Ocean Color Instrument, misurando il flusso di luce emessa (radianza) dalla sommità dell’atmosfera, in tutto lo spettro compreso dall’ultravioletto fino al vicino infrarosso, sarà di fondamentale supporto alle ricerche sugli oceani, sull’atmosfera e sui fattori chiave che influenzano il clima.

Vediamo come.

Viola e ultravioletto

Le lunghezze d’onda dell’ultravioletto (UV), che sono invisibili all’occhio umano, e quelle del viola che invece lo sono, sono di grande aiuto per gli scienziati che studiano gli aerosol, ovvero quel tipo di colloide in cui minuscole particelle di un solido o di un liquido organico o inorganico sono disperse in un gas, in questo caso l’atmosfera. Queste lunghezze d’onda sono d’aiuto per rivelare se dei determinati aerosol sono di origine naturale o se sono prodotti da attività umane. Le lunghezze d’onda viola e ultraviolette sono anche d’aiuto per gli scienziati che studiano le particelle dissolte nell’oceano, nello specifico, per distinguere fra la clorofilla e gli altri materiali organici. Riuscire a compiere con esattezza questa distinzione è importante per conoscere quanto carbonio è contenuto nelle profondità oceaniche in modo tale da comprendere al meglio il ciclo del carbonio e i fattori che lo influenzano.

Blu

La luce blu aiuta gli scienziati a differenziare le varie specie di fitoplancton, dalle diatomee ai dinoflagellati, ogni specie di fitoplancton ha la propria identità. Differenti funzioni all’interno dell’ecosistema, differenti esigenze nutrizionali (e contenuti nutrizionali, per i loro predatori) e, caratteristica molto importante per OCI, differenti lunghezze d’onda quindi differenti colori, in grado di assorbire e disperdere. I colori nella zona blu dello spettro elettromagnetico permetteranno agli scienziati di discernere la composizione delle comunità di fitoplancton. Tracciare la composizione delle comunità di fitoplancton e il loro stato di salute non è soltanto importante per gli studi oceanografici, ma anche per prevederne i loro cambiamenti nel futuro.

Verde

Le tonalità legate alle lunghezze d’onda nel campo del verde vengono spesso impiegate come riferimento per la misura della quantità totale di particelle nell’aria. Usate in combinazione con le lunghezze più lunghe e con quelle più corte, possono determinare le dimensioni di queste particelle. Gli scienziati usano le informazioni relative alle dimensioni delle particelle per riuscire a determinarne la natura; gli aerosol di origine naturale, come la polvere e il sale marino, tendono ad avere delle dimensioni più grandi di quelle di origine artificiale, ovvero prodotte dalle attività umane, come la fuliggine e il fumo. Gli aerosol, oltre a influenzare la qualità dell’aria che respiriamo, possono influenzare il clima riscaldandolo o raffreddandolo. In maniera molto simile le differenti specie di fitoplancton hanno differenti dimensioni, quindi anche questo dato aiuta gli scienziati a determinare le varie tipologie di fitoplancton in una comunità di plancton.

Giallo e arancio

Queste lunghezze d’onda aiutano i ricercatori a rilevare lo stato di salute del fitoplancton e la sua fisiologia. Gli studiosi possono estrapolare lo stato di salute di una comunità di fitoplancton osservandone il tasso di crescita, l’efficienza del suo processo di fotosintesi e il suo colore. La comprensione dello stato di salute del fitoplancton può aiutare a prevedere alcune tipologie di pericolose fioriture algali dannose, o HAB. Quando determinate sostanze provenienti dai terreni si riversano nell’oceano, a volte possono catalizzare l’abnorme crescita di una determinata alga, che giocoforza va a sottrarre elementi nutritivi agli altri esseri viventi. Non solo: spesso queste tipologie di alghe possono generare delle pericolose tossine che avvelenano la fauna marina, e di conseguenza l’uomo, e inoltre i batteri che si nutrono delle alghe morte vanno a consumare l’ossigeno disciolto nell’acqua. I minerali e alcune sostanze prodotte naturalmente, grazie alle piogge fluiscono negli oceani diventando nutrimento per le alghe, tuttavia le sostanze chimiche prodotte dall’uomo, come i fertilizzanti, le sostanze per il trattamento delle acque reflue, e fitofarmaci sono i principali colpevoli del fenomeno delle fioriture algali pericolose.

Rosso e vicino infrarosso

Queste lunghezze d’onda offrono la possibilità di osservare differenti porzioni dell’oceano. Le aree costiere, con le acque provenienti dai fiumi e i bassi fondali marini ricchi di sedimenti che possono restare in sospensione dopo una tempesta, hanno delle colorazioni spesso differenti rispetto a quelle del mare aperto. Le variazioni nei colori emessi dalle zone costiere, non solo offrono agli scienziati evidenze sullo stato di salute degli organismi viventi presenti in quelle acque soprattutto nella prospettiva di un evento di fioritura algale pericolosa, ma offrono aggiornamenti in tempo reale sulle caratteristiche dei deflussi dai sistemi fluviali e sulle dinamiche dei bacini idrici. Grazie a PACE sarà possibile osservare gli stadi di sviluppo delle fioriture, rilevandone le specie coinvolte ed eventualmente dando l’allarme alle autorità preposte.

Infrarosso a onda corta

Appena al di fuori del range del visibile, lo spettro elettromagnetico entra nella zona dell’infrarosso a onda corta o SWIR (Short Wave Infrared); queste onde elettromagnetiche sono molto utili sia per i rilievi atmosferici che per quelli oceanici. Con esse gli scienziati possono determinare quanto è chiara l’atmosfera al di sopra degli oceani, nell’ottica del calcolo delle proprietà superficiali degli stessi. Stesso discorso vale per le coste, dove vengono studiati i corpi nuvolosi e la biologia costiera. Monitorando la quantità di luce solare bloccata e assorbita dagli aerosol, OCI aiuterà gli studiosi a colmare un’importante lacuna nei modelli predittivi. Le nuvole e gli aerosol interagiscono fra di loro nell’atmosfera, ma i ricercatori necessitano di ulteriori informazioni su come e dove ciò avviene.

Lancio previsto per il 2023 con un Falcon 9

La NASA ha assegnato il lancio del satellite al Falcon 9 della SpaceX, con un contratto di 80,4 milioni di dollari. Inizialmente il lancio era previsto per dicembre 2022, ma poi, complice anche la pandemia, è stato spostato al 2023.

PACE è una missione della NASA di Classe C che avrà una durata minima di 3 anni e una massima teorica di 10, con un costo totale che non dovrà superare gli 805 milioni di dollari.

Fonti: NASA; NASA PACE Mission