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Vento solare e tempeste magnetiche. Che cosa succederebbe se ci fosse una tempesta solare?

Il vento solare è costituito da un flusso di plasma solare ionizzato ed è conseguenza della grossa differenza di pressione gassosa che esiste tra la corona solare e lo spazio interstellare. Tale differenza di pressione permette l’espansione del plasma contro la forza di gravità solare. L’esistenza del vento solare era stata già teorizzata durante gli anni ’50, quando si cominciò ad osservare l’evidente correlazione tra piccole variazioni del campo magnetico terrestre (attività geomagnetica) e fenomeni osservabili sulla superficie solare (attività solare), ma essa fu definitivamente provata solo tramite osservazioni fatte nello spazio verso la metà degli anni ’60.

vento solare
Schema di come agisce il vento solare sulla Terra

Si può pensare al vento solare come ad un fluido conduttore immerso in un campo magnetico che ne è parte integrante. Quest’ultimo assume forma di spirale di Archimede a causa del moto di trascinamento indotto nel plasma dalla rotazione del Sole e risulta, all’altezza della Terra, approssimativamente diretto a 45° dalla linea Sole – Terra. Tale campo prende il nome di campo magnetico interplanetario (IMF ‘Interplanetary Magnetic Field’). La velocità media del vento solare si aggira intorno ai 300 km/s, anche se il materiale ionizzato che viene emesso, per esempio, da un buco coronale o da un brillamento, conosciuto come HSSWS (high speed solar wind stream), raggiunge velocità di circa 500 km/s. Il vento solare possiede una elevata conducibilità elettrica. Le interazioni Sole – Terra risultano evidenti se si pensa che il vento solare, venendo significativamente influenzato dall’attività solare, trasmette tale influenza a tutti i pianeti, le comete, le particelle ed i raggi cosmici con cui viene a contatto.

Parametri tipici del vento solare “quieto” alla distanza di 1 AU
velocità
300 KM/S
densità dei protoni
10 CM-3
densità di flusso
3*10CM-2 S-1
composizione
96% protoni, 4% ioni,
costituenti minori ed elettroni
temperatura dei protoni
4*10K
temperatura degli elettroni
1,5*105 K
intensità del campo magnetico
4 nT

L’interazione tra il vento solare ed il campo magnetico della Terra dà luogo alla formazione di una zona detta magnetopausa, che costituisce il luogo dei punti dello spazio ove le azioni del campo geomagnetico e quelle del vento solare si equilibrano. La regione di spazio compresa all’interno della magnetopausa è nota come magnetosfera. Sul versante illuminato della Terra la magnetosfera assume una forma fortemente emisferica, mentre, sul versante opposto al Sole, essa ha, approssimativamente, la forma di un cilindro di diametro pari a circa 40 raggi terrestri ed esteso per una lunga e sconosciuta distanza nello spazio. Tale cilindro è chiamato coda magnetica (magnetotail).

Nella parte diurna della Terra, le linee di forza del campo geomagnetico a più bassa latitudine, benché compresse, mantengono la loro forma di linee di campo dipolare, mentre le linee ad alta latitudine vengono spazzate dal vento solare nella coda magnetosferica e si sviluppano in regioni lontane dalla Terra. Il carattere supersonico che assume la velocità del vento solare all’altezza della Terra crea lo sviluppo di un fronte d’urto.

La regione compresa tra la magnetopausa ed il fronte d’urto viene usualmente chiamata guaina magnetica (magnetosheat). Nella magnetopausa fra le linee di forza che rimangono nella parte diurna e quelle che vengono spazzate nella coda magnetosferica vi è una stretta regione di campo zero, la cui proiezione sulla calotta polare individua una zona, detta cleft, dove le particelle del vento solare possono entrare e raggiungere direttamente le regioni ionosferiche dell’atmosfera.

Che cosa succederebbe se ci fosse una tempesta solare?

È già successo in passato e potrebbe capitare di nuovo. Ma oggi con conseguenze devastanti. Tutto inizierà con una fantastica aurora boreale. Ma sarà l’ultimo momento di gioia prima di anni di sofferenze. Potrebbe succedere un giorno qualunque. Ma quasi sicuramente in un anno in cui il ciclo un decennale dell’attività solare è al massimo. Poco dopo l’apparizione dell’aurora, le luci di casa cominceranno a tremolare, la tv farà fatica a sintonizzarsi. Qualcuno farà in tempo a controllare online l’arrivo di una violenta tempesta magnetica. Poi tutto si spegnerà. E sarà il black out totale.

black out

Uno scenario da fantascienza? No. Uno studio dell’Accademia delle scienze americana lo ha delineato con precisione. Ed è considerato plausibile. «Dal Sole, oltre alla luce, proviene un flusso di particelle elementari che formano il cosiddetto vento solare» spiega Luigi Smaldone, astrofisico all’Università di Napoli.

«L’attività della nostra stella ogni 11 anni circa raggiunge un massimo, che si manifesta con un aumento delle macchie solari e, occasionalmente, alcuni fenomeni più violenti. Per esempio i brillamenti».

Ancora più violente sono quelle che gli astronomi chiamano coronal mass ejection (abbreviato Cme, emissioni di massa coronali, cioè dalla corona solare). Sono brillamenti “estremi”, nel corso dei quali dal Sole si staccano globi di plasma a 1,5 milioni di gradi e di oltre un miliardo di tonnellate, formati da protoni ed elettroni, sparati a velocità che arrivano a quasi 3 mila km/s. Se la Terra fosse colpita da una di queste “sfere di fuoco” la situazione potrebbe diventare drammatica.

Le sfere di plasma, partite a 150 milioni di chilometri dalla Terra, in pochi secondi mettono fuori uso la rete elettrica mondiale. Si spengono le tv. Ma anche i telefoni. Quasi subito va via anche l’acqua, almeno nei condomini: le pompe per innalzarla ai piani sono elettriche. E smettono di funzionare gli elettrodomestici. Il mattino dopo, la roba nel frigorifero puzza. «Tutto questo succederebbe perché nelle linee di distribuzione dell’energia si creerebbero violente correnti indotte» spiega Smaldone. «I trasformatori che convertono l’alta tensione nella normale tensione delle case si fonderebbero. E addio corrente».

aurora boreale

Treni e metropolitane sono inutilizzabili. È difficile anche procurarsi la benzina, perché non c’è elettricità per far funzionare le pompe. Oleodotti e gasdotti non vanno, perché richiedono energia. Le centrali nucleari si sono spente automaticamente.

Nessuno morirebbe all’istante. «Ma la massa coronale colpirebbe il campo magnetico terrestre, “infilandosi” nelle regioni polari. I primi a essere colpiti sarebbero i satelliti, con i loro circuiti» continua Smaldone. Senza contare che i sistemi di navigazione sono controllati dal Gps. Se saltassero, gli aerei (ma anche navi, auto, persino sistemi antifurto) diventerebbero “ciechi”.

Negli ospedali, intere categorie di malati muoiono: i reparti rianimazione, per esempio, e quelli di dialisi, cioè i più dipendenti dalle macchine, si svuotano di pazienti. Non si trovano più medicine e gli scaffali dei supermercati restano vuoti. Gli edifici più alti sono abbandonati. Molti cercano rifugio nelle campagne. Oggi tutto arriva su ordinazione, dalle medicine alle auto, dai computer ai pezzi di ricambio. E quando la rete di distribuzione si interrompe è il collasso. I grandi trasformatori delle centrali elettriche saranno fusi nella tempesta magnetica e non potranno essere riparati. Non ci saranno pezzi di ricambio, e realizzarli non sarà possibile, perché gli impianti industriali, raffinerie comprese, saranno fermi.

Non funziona niente: riscaldamento e aria condizionata, bancomat, semafori e industrie. Nelle banche, la gente scopre che i soldi, quelli veri, non esistono quasi più. Sono semplici numeri sui monitor, adesso spenti. Un mese dopo l’inizio del black out il mondo è allo stremo. Per trasmettere le notizie tornano di moda i radioamatori; alcuni riescono infatti ad alimentare la propria radio con pannelli solari.

Ritornare alla normalità richiederà tempi lunghi: anni, forse anche 10, secondo il rapporto dell’Accademia delle scienze Usa. E le conseguenze saranno gravi: fino a 300 milioni di morti, oltre a danni economici pari a quelli di decine di uragani come Katrina. Ma su che scala colpirebbe una tempesta geomagnetica? «Per le comunicazioni e tutto ciò che è legato ai satelliti, il danno sarebbe planetario. Quanto ai problemi elettrici, le aree interessate si misurerebbero a livello di continenti. Sono a rischio le regioni della Terra sopra i 45° nord e sotto i 45° sud. Paradossalmente è più protetta la fascia equatoriale, perché mediamente meno evoluta dal punto di vista tecnologico e quindi meno vulnerabile» precisa Smaldone.

La tempesta solare più pericolosa di sempre

Nel maggio 1967, un brillamento particolarmente energetico portò USA e URSS sull’orlo di una guerra nucleare. Se non fosse stato per l’intervento provvidenziale di alcuni ricercatori… I tre radar della rete di difesa antimissile statunitense BMEWS (Ballistic Missile Early Warning System) progettata per identificare eventuali missili balistici provenienti dall’Unione Sovietica, finirono KO tutti nello stesso momento.

Pensando a un imminente attacco dell’URSS, gli Stati Uniti si prepararono a schierare l’aeronautica militare e le truppe di terra per una ritorsione. Fortunatamente, un gruppo di pionieri della ricerca solare fu in grado di dimostrare che il blackout era dovuto a un potente brillamento, e non a un sabotaggio nemico. La vicenda degna di un film di spionaggio è stata ricostruita, a quasi 50 anni di distanza, in un articolo pubblicato sulla rivista Space Weather.

Ballistic Missile Early Warning System
Veduta aerea del Ballistic Missile Early Warning System, nel sito 2, in Alaska.

Delores Knipp, a capo dello studio, ha voluto ricostruire le circostanze storiche attorno a quella che si ricorda come una delle più potenti tempeste solari dell’ultimo secolo. «Se non fosse stato per un investimento precoce nell’osservazione e nelle previsioni delle tempeste solari e geomagnetiche, l’impatto del brillamento sarebbe stato di gran lunga peggiore» scrive.

I militari statunitensi avevano iniziato a monitorare le interferenze nel campo magnetico e nell’alta atmosfera terrestre già negli anni ’50. Nel decennio successivo, per questo campo di studi fu istituita una speciale divisione della Air Force, la Air Weather Service (AWS), che si occupava della costante sorveglianza delle macchie solari.

Il 23 maggio 1967 questi scienziati scorsero un brillamento solare visibile ad occhio nudo, e ipotizzarono una tempesta geomagnetica nelle 36-48 ore successive. Nessuno però aveva ipotizzato che le onde radio potessero investire la Terra anche prima, e soprattutto mettere fuori uso tre diverse stazioni di difesa antimissile

 Il colonnello Arnold L. Snyder, all’epoca studioso del Sole presso il North American Aerospace Defense Command(NORAD) fu interpellato circa una possibile attività solare in quelle ore, e aggiornò i vertici militari su quanto stava accadendo. Fortunatamente, l’informazione risalì tutta la catena di comando, fino al Presidente degli Stati Uniti Lyndon Johnson, in tempo per evitare un’azione militare.

Tutte e tre le postazioni del BMEWS si trovavano alla luce del Sole, ed erano probabilmente state investite dalle radiazioni solari, che nelle 40 ore successive misero fuori uso gran parte dei sistemi di comunicazioni radio statunitensi. Quando la tempesta geomagnetica si affievolì, le stazioni tornarono a funzionare, confermando la tesi degli scienziati. L’evento ci ricorda quanto potente possa essere un evento geomagnetico. E, ancora una volta, di quanto concrete e importanti siano le ricadute della ricerca scientifica sulla nostra vita.

La tempesta di Carrington del 1859

L’evento di Carrington fu straordinario perché durante la notte (e le due/tre successive) di quel 1 settembre del 1859, le aurore furono avvistate in zone dove normalmente non si avvistano, come a Roma, in Giamaica, a Cuba. I cieli notturni furono illuminati quasi a giorno da bagliori che andavano dal verde al giallo, dal rosso fino al violetto, come raccontato da numerosi testimoni e riportato dai quotidiani dell’epoca per una settimana intera. E non fu l’unico effetto visibile: le cronache raccontano che la maggior parte dei telegrafi, le prime e uniche tecnologie utilizzate nel campo delle telecomunicazioni a quel tempo, andarono letteralmente in tilt. Alcune stazioni telegrafiche riuscirono persino a funzionare senza l’uso delle batterie, stimolando nella mente dei pensatori più audaci l’associazione che l’aurora fosse un fenomeno elettrico (o più precisamente, elettromagnetico).

Evento carrington
Tracce dell’evoluzione della tempesta magnetica registrata presso l’osservatorio di Greenwich (Londra) dal 31 agosto al 2 settembre 1859. Copyrights BGS.

Oggi monitoriamo il vento solare dallo spazio attraverso appositi satelliti e ne verifichiamo a terra l’effetto, osservando la risposta del campo magnetico del nostro pianeta presso gli osservatori geomagnetici sparsi su tutta la superficie terrestre. Il vento solare è un flusso continuo di particelle cariche (plasma) rilasciato dallo strato più esterno dell’atmosfera solare, la corona, e viaggia ad una velocità media di 250-400 km/s. Formato principalmente da elettroni, protoni e particelle alfa (la parte corpuscolare della radiazione solare), il vento solare trasporta il campo magnetico interplanetario di origine solare.

Studio del vento solare

l Sole è frequentemente soggetto a violente esplosioni. Le fluttuazioni degli intensi campi magnetici solari scagliano immani flussi di particelle cariche che si propagano nello spazio a grande velocità. Questo vento solare raggiunge i pianeti ed è la causa delle aurore nelle regioni polari terrestri; occasionali tempeste nel vento solare possono mettere temporaneamente fuori uso i satelliti per le comunicazioni e causare interruzioni nella distribuzione di elettricità. Nei primi 10 anni del nuovo millennio le Agenzie spaziali di Stati Uniti, Europa e Asia hanno iniziato a lanciare una piccola flotta di veicoli per studiare il Sole e le sue violente esplosioni. Una di queste sonde si avventurerà anche nella corona, l’atmosfera esterna del Sole.

brillamento solare
brillamento solare

Il Parker Solar Probe, precedentemente noto semplicemente come Solar Probe +, è una delle più importanti sonde spaziali, sviluppate dalla NASA, allo scopo di analizzare attentamente il Sole e il suo vento solare.

Durante la missione di sette anni, il veicolo spaziale eseguirà un totale di 24 perieli, con gli ultimi tre che portano il veicolo spaziale a meno di 6 milioni di chilometri dalla superficie del Sole.

Gli scienziati sperano che la sonda spieghi in che modo il vento solare venga accelerato fino a queste incredibili velocità, ma la missione potrebbe anche gettare luce sul più difficile paradosso della fisica solare: come mai l’atmosfera esterna del Sole è centinaia di volte più calda della sua superficie. Secondo David Hathaway, che dirige la sezione di fisica solare del Marshall Space Flight Center della NASA, i risultati acquisiti potrebbero aiutare a prevedere tempeste solari potenzialmente pericolose. La prima telemetria, che ha confermato il buon funzionamento delle quattro suite di strumenti e delle prestazioni della sonda, è stata acquisita il 16 novembre 2018, dieci giorni dopo il raggiungimento del primo perielio a 22 milioni di chilometri dalla superficie del sole.

La strada è stata aperta dalle missioni solari, come il Solar and Heliospheric Observatory (SOHO) che dalla fine degli anni novanta ha fornito immagini mozzafiato del Sole e della sua corona. Invece la sonda Ulysses ha misurato il vento solare e il campo magnetico del Sole mentre percorreva un’orbita che le ha permesso di osservare i poli dell’astro. Queste missioni hanno rivelato che i venti solari più veloci, che soffiano a velocità fino a 800 km/s, possono avere origine da tutta la superficie solare e non solo dai poli, come gli astronomi avevano creduto in precedenza. Ancora non si comprendono i processi fisici che generano il vento solare e quindi non si può prevedere l’arrivo delle tempeste che causano tanti problemi sulla Terra.

Nel 2001 la NASA ha lanciato Genesis, una sonda che ha raccolto particelle del vento solare da un’orbita vicina a quella della Terra. Successivamente il veicolo ha riportato i campioni sulla Terra, sebbene l’atterraggio non sia avvenuto come previsto a causa di un’avaria, dove gli scienziati hanno poi potuto misurare l’abbondanza dei vari elementi e isotopi. Anche la Russia, il Giappone e la Germania hanno messo a punto missioni per lo studio del Sole, la più ambiziosa delle quali rimane il Solar Probe della NASA il cui lancio era programmato per il 2007.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. National Center for Atmospheric Research (NCAR) di Boulder, Colorado, 12 ottobre 2009
  2. Sarah Frazier, Parker Solar Probe Reports First Telemetry, Acquisition of Science Data Since Perihelion, su blogs.nasa.gov/parkersolarprobe,
  3. Antonio Mancino, Parker, in missione là dove il Sole brucia, su media.inaf.it
  4. Misure dell’attività geomagnetica della Terra, Il sistema solare
  5. The solar wind, NASA/Marshall Space Flight Center.

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