Lo scorso 10 maggio il cielo notturno sopra l’Italia è stato inondato da un fenomeno
spettacolare anche per la sua rarità: l’aurora boreale. Nelle pagine a seguire spiegheremo
il fenomeno dalle sue origini scientifiche sino alle modalità in cui si è manifestato e
come è stato possibile acquisirne dati e immagini anche con un approccio amatoriale.
Ci accompagnano nella ricca esposizione: Francesco Berrilli e Valentina Penza dell’Università
di Roma Tor Vergata, Alessandro Marchini dell’Università di Siena e Alessandro
Ravagnin.

PARTE 01

I COLORI DELLA TEMPESTA: COME, PERCHE’ E QUANDO

 a cura di Francesco Berrilli e Valentina Penza Università di Roma “Tor Vergata”

I fisici solari hanno delle specifiche date (e dei nomi) a cui sono particolarmente affezionati. Una ad esempio è il 1º settembre 1859, giorno in cui si manifestò sulla nostra stella un evento abbastanza comune nel suo genere, ma in quella occasione particolarmente violento nella sua intensità, al punto da meritare un appellativo tutto suo: evento di Carrington. In realtà il 1º settembre 1859 furono due gli astronomi inglesi, Richard Christopher Carrington e Richard Hodgson che osservarono sulla superficie del Sole un brillamento di luce “bianca” estremamente intenso in una zona del disco solare che stava attirando già da qualche giorno l’attenzione per la presenza un esteso gruppo di macchie solari. L’evento in sé sarebbe rimasto una notazione destinata ad incuriosire giusto qualche altro studioso, se non fosse stato per la grande quantità di particelle elettricamente cariche espulse ad alta velocità e in direzione della Terra il giorno successivo: una delle tempeste magnetiche più intense di cui si ha testimonianza nella storia dell’umanità. Il fenomeno diede luogo ad aurore a latitudini estremamente basse (come Roma e Catania) e danneggiò parte della rete telegrafica del mondo. Per avere una stima dell’intensità del fascio si può dire che il nostro Sole lanciò verso la Terra particelle cariche con un’energia pari a dieci miliardi di bombe atomiche.

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Solo pochi anni dopo, il 4 febbraio 1872, un altro gruppo di macchie causò un nuovo potente evento che Angelo Secchi, direttore dell’Osservatorio del Collegio Romano, studiò e descrisse come un’aurora elettrica che illuminò i cieli di Roma. Anche quell’evento fu osservato in tutto il mondo e produsse il primo incidente globale della nostra storia tecnologica interrompendo le comunicazioni tra Stati Uniti ed Europa che avvenivano con un cavo transoceanico.

Se queste storie vi sembrano familiari e magari avete l’impressione che raccontino avvenimenti più recenti (rete telegrafica a parte) è perché qualcosa del genere è accaduto nuovamente nella notte tra il 10 e l’11 maggio scorso. Anche in questo caso molti telescopi solari erano puntati verso la nostra stella per studiare l’evoluzione di una regione di macchie dalla dimensione straordinariamente elevata (lo 0.24% dell’intera superficie solare, più grande di Giove) e soprattutto dalla configurazione particolarmente complessa, che nella sua struttura aveva immediatamente richiamato alla mente l’evento Carrington (Fig. 1).

Ciò che è accaduto, questa volta, non è stato dunque per gli scienziati del tutto inatteso. Una dozzina di brillamenti (in inglese, flares), tra cui diversi di classe X[1] ed alcuni associati ad immense emissioni di massa coronale (CME, acronimo di Coronal Mass Ejection) che hanno permesso a moltissime persone sparse quasi su tutto il globo di assistere il 10 maggio ad aurore magnifiche, come testimoniato dalle centinaia di foto che hanno invaso il web provenienti da zone ove scatti di luci boreali ed australi non erano mai pervenuti.

Se a causare le bellissime colonne di luce nei cieli notturni sono sempre le particelle accelerate dal Sole dobbiamo anche dire che quanto osservato a basse latitudini lo scorso maggio non è stata una vera e propria aurora, quanto piuttosto quelle che si chiamano Stable Auroral Red arc, il cui acronimo è SAR. Come vedremo, le aurore sono prodotte direttamente dalle particelle solari che si trovano nel vento solare o nelle CME che colpiscono gli atomi e le molecole (principalmente Ossigeno e Azoto) che compongono l’alta atmosfera della Terra. Le SAR invece sono prodotte dalle particelle cariche intrappolate nelle famose cinture o fasce di radiazione di Van Allen. Tali fasce sono composte dalle particelle solari catturate e trattenute intorno alla Terra dal campo magnetico terrestre, il grande scudo che protegge il nostro pianeta dalla radiazione solare. L’intensa tempesta geomagnetica prodotta dal Sole ha indebolito il campo magnetico terrestre e ha permesso alle correnti ad anello che scorrono nelle fasce di Van Allen di scendere in basso e di colpire l’alta atmosfera, causando i suggestivi archi SAR.

Ma andiamo con ordine e proviamo a spiegare meglio cosa è successo, sul Sole e sulla Terra, a maggio scorso, e probabilmente anche nel 1859 o nel 1872 e in altre occasioni storiche simili. Procediamo a ritroso nell’evoluzione dell’evento partendo proprio dalla sua conclusione più spettacolare: l’aurora o la SAR. La spettacolare danza di drappeggi variegatamente colorati (dal verde al viola, fino al rosso) che si è osservata nei cieli è la conseguenza degli urti delle particelle emesse dal Sole con le differenti particelle presenti nella ionosfera terrestre, una regione della nostra atmosfera compresa tra i 60 ed i 1000 km, costituita principalmente da atomi e molecole ionizzate. Tale regione ha la particolarità di presentare popolazioni di particelle diverse ad altezze diverse, in relazione alla loro massa: le più leggere, come gli atomi di elio, più in alto, le più pesanti, come gli atomi di ossigeno e ancora più le molecole di azoto, più in basso. Tali particelle vengono eccitate, ionizzate o, in caso di molecole, dissociate e questo genera emissione di luce a lunghezze d’onda differenti (e quindi di colori differenti). Gli atomi di ossigeno, per esempio, sono responsabili del colore verde (lunghezza d’onda di 557.7 nm), mentre alle molecole di azoto si deve la luce violacea, che per questo motivo risulta visibile ad una quota più bassa rispetto alla verde. La luce più rossa, per finire è prodotta dalle SAR. Il suo aspetto più diffuso rende la luce rossa quella più comune da osservare a basse latitudini. È noto infatti che le zone del pianeta da cui è più probabile vedere fenomeni aurorali sono quelle ad alte latitudini, cioè quelle più prossime ai poli magnetici, dove le linee di forza del campo magnetico terrestre convergono.

Procedendo nella nostra analisi a ritroso, la domanda ora è perché il Sole ogni tanto (e ogni quanto?) emette particelle cariche e perché non tutte queste emissioni danno origine ad un’aurora? In parte lo abbiamo accennato all’inizio di questo articolo: il Sole emette quantità di particelle in corrispondenza di particolari regioni tra cui le cosiddette “Regioni Attive”, che sono la manifestazione visibile degli intricati e dinamici campi magnetici presenti sulla superficie (fotosfera) della nostra stella. Inoltre, la regione calda più esterna al sole, la corona, è la responsabile del vento solare che in particolari condizioni (vento solare veloce) contribuisce alle aurore osservate ad alte latitudini. Il campo magnetico solare ha una struttura molto più complessa di quello terrestre. Quest’ultimo somiglia al campo generato da una normale calamita, quello che si chiama dipolo magnetico, caratterizzato da linee di campo chiuse e simmetriche, che escono da un polo (per convezione il Sud) ed entrano nell’altro (il Nord) con una struttura abbastanza semplice, a parte le distorsioni dovute alla costante pressione del vento solare su di essa (Fig.2).

[1] I brillamenti vengono classificati in base alla loro intensità nella regione della radiazione X attraverso una lettera; in ordine crescente sono di classe B, seguiti da C, M e X, che sono i piùintensi.  All’interno di ogni classe, c’è una scala più fine da 1 a 9.  Analogamente alla scala Richter, usata per i terremoti, ogni passaggio di classe rappresenta un aumento di dieci volte nell’emissione di energia.

Nel Sole le linee del campo magnetico sono molto più complicate. Esse infatti interagiscono con il plasma e con i suoi moti convettivi e turbolenti presenti negli strati sottostanti la superficie e risentono della rotazione differenziale della stella, ossia del fatto che il Sole non ruota come un corpo rigido ma con velocità di rotazione diverse a latitudini diverse, e di grandi flussi di plasma che scorrono lungo i meridiani della nostra stella (un po’ come accade con le grandi correnti negli oceani terrestri). Il processo che dà origine al campo magnetico nel Sole, e contestualmente alla sua variabilità ciclica, è dovuto all’insieme di tutti questi flussi di plasma e prende il nome di dinamo solare globale ed è schematizzato in Fig.3. Nella figura si osservano le linee allungate e distorte dai vari flussi del plasma solare che trasformano il campo toroidale, il cui nome ci dice che ha la forma di una ciambella o toro interno al Sole, in poloidale, cioè che emerge principalmente dai poli, e viceversa, con un ciclo magnetico totale di circa 22 anni e di attività di circa 11 anni.

Durante l’intero processo dinamo molte caratteristiche del Sole presentano un andamento ciclico in cui il campo magnetico e le sue manifestazioni passano da una fase di minimo (campo poloidale, attività bassa, poche macchie e regioni brillanti) ad una di massimo (campo fortemente toroidale, elevata attività magnetica, molte regioni attive). Al momento la nostra stella si trova in prossimità del massimo del ciclo solare 25 (il numero è convenzionale, col primo ciclo solare che inizia il 1755, da quando cioè ci sono sufficienti dati osservativi). Il numero di brillamenti solari cresce all’aumentare dell’attività magnetica solare.

I brillamenti o flare solari si producono nelle regioni attive più complesse e corrispondono ad un rilascio improvviso di energia, sia sotto forma di radiazione luminosa che di particelle, dovuto ad un fenomeno che avviene in un plasma altamente conduttivo, noto come riconnessione magnetica. Si tratta di un processo magnetico particolare che converte l’energia magnetica in energia cinetica e termica e che accelera le particelle dell’atmosfera solare. In particolari condizioni il vento solare e le nubi di plasma composti da queste particelle (soprattutto elettroni e protoni) possono perturbare pesantemente il campo magnetico terrestre (quello mostrato in Fig.2) e dare luogo ad una tempesta geomagnetica, la cui intensità è misurata con un indice, il K-index, il cui valore è compreso tra 0 e 9 (la tempesta del 10 maggio 2024 ha raggiunto il valore massimo).

Come abbiamo visto, quando le particelle entrano nella ionosfera in prossimità dei poli magnetici della Terra danno origine allo spettacolo dell’aurora (boreale o australe a seconda dell’emisfero da cui si osserva). Ma oltre a produrre un magnifico spettacolo queste tempeste possono causare danni ad infrastrutture tecnologiche e strumentazioni elettroniche, sia nello spazio che a Terra, a causa delle correnti elettriche indotte e dell’interazione stessa tra particelle e circuiti. È ciò che accadde durante l’evento Carrington, in una società per altro che era ben lontana dalla forte dipendenza dalla tecnologia come invece lo è ai nostri tempi.

Ma cosa avverrebbe oggi se ci fosse un evento Carrington, o magari un super-brillamento?

Il nostro Sole è sostanzialmente una stella tranquilla. Tuttavia come abbiamo visto possono crearsi sulla fotosfera condizioni magnetiche tali per cui i brillamenti possono essere veramente molto intensi, molto più intensi di quelli che hanno prodotto i fenomeni osservati lo scorso maggio. Abbiamo visto come l’evento Carrington del 1859 creò una imponente tempesta geomagnetica che non solo produsse le aurore a basse latitudini ma scatenò anche incendi nelle linee telegrafiche. Sappiamo inoltre che l’evento del 1872 mise fuori uso il collegamento transoceanico tra Stati Uniti ed Europa creando il primo blackout globale nelle telecomunicazioni. In epoca moderna non abbiamo mai sperimentato una tempesta solare tipo Carrington, ma alcune proiezioni fatte dalle maggiori compagnie assicurative mondiali riportano che potrebbero verificarsi blackout globali della durata potenziale di anni a causa del danneggiamento simultaneo di diversi trasformatori ad altissima tensione che sono difficili da sostituire. Ovviamente questo produrrebbe un effetto a cascata sulle telecomunicazioni, sui servizi di emergenza e di prima necessità per la nostra società e sulle transazioni finanziarie. Probabilmente perderemmo decine di satelliti con effetti globali importanti. Anche in questo caso sarebbero necessari anni per rimettere in orbita intere flotte satellitari e ripristinare i servizi mancanti, sempre a causa delle difficoltà di reperimento di molti lanciatori e dei tempi di realizzazione dei satelliti.

Ma se eventi di questa portata avvengono ogni qualche secolo, sappiamo oggi che la nostra stella può produrre qualcosa di molto più energetico di un evento Carrington. Studiando particolari isotopi contenuti negli anelli degli alberi abbiamo scoperto che in epoche più antiche il Sole ha prodotto tempeste solari ancora peggiori, mega tempeste 10 o 100 volte più intense dell’evento Carrington. Sappiamo che una tempesta del genere c’è stata nel 775 d.C. ed altre nel 5259 a.C., con il nostro pianeta da non molto emerso dall’ultima era glaciale, e nel 7176 a.C., quando la civiltà agricola stava prendendo il posto della società nomade di cacciatori-raccoglitori. Sappiamo datare con estrema esattezza questi eventi proprio grazie all’uso degli anelli degli alberi (la scienza della dendrocronologia consente la datazione esatta sfruttando il conteggio degli anelli di accrescimento annuale). Mega tempeste di questa portata, per fortuna estremamente rare, avrebbero effetti devastanti sulla nostra civiltà tecnologica, probabilmente riportandoci indietro di decine di anni, ad un’era senza internet e senza tecnologia legata all’utilizzo dei satelliti.

Il futuro della nostra civiltà tecnologica, che molto dipenderà dallo spazio, o il futuro dell’esplorazione lunare o marziana non potranno prescindere dalla consapevolezza che lo spazio interplanetario è governato dall’attività della nostra stella. Se oggi abbiamo sistemi ridondanti che ci permettono di avere una tecnologia resiliente ad eventi come quelli dello scorso maggio, tuttavia non possiamo abbassare la guardia. Sappiamo infatti che la nostra stella produrrà eventi Carrington o super-brillamenti in futuro. Oramai siamo certi che la questione non è “se avverrà una super tempesta” ma solo “quando avverrà”. Per prevenire gli effetti di una super-tempesta solare i più importanti organismi di ricerca e le maggiori agenzie spaziali studiano la fisica che governa l’attività solare e lavorano ad algoritmi di previsione di quello che si chiama lo Space Weather (o meteorologia spaziale). L’importanza di questo ramo della scienza è diventato così evidente che enti internazionali come lo statunitense NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) e l’europea ESA (Europe Space Agency) hanno da molti anni creato al loro interno uffici e centri di studio specificatamente dedicati alla predizione di fenomeni di Space Weather.

Anche il gruppo di fisica solare e spaziale del Dipartimento di Fisica dell’Università di Roma Tor Vergata partecipa a questa sfida. Lo fa offrendo corsi universitari sulla fisica del Sole e dello Spazio e lavorando in collaborazione con l’Agenzia Spaziale Italiana sia nell’ambito del programma ASPIS (ASI Space Weather InfraStructure) sia coordinando una team di aziende e istituti di ricerca che realizzeranno un nano satellite (Sun Cube On E-SEE) per lo studio dell’emissione ad alta energia del Sole, dall’ultravioletto ai raggi Gamma. Inoltre coordina, assieme a colleghi della Georgia State University, una rete globale di telescopi robotizzati (la Global Automatic Telescopes for Exploring the Sun – GATES) che studieranno in modo automatico il campo magnetico fotosferico ed il Sole a diverse lunghezze d’onda e partecipa alla realizzazione del grande European Solar Telescope (EST).

Sebbene gli scienziati che studiano la nostra stella ancora non abbiano compreso appieno il funzionamento del processo che genera il campo magnetico globale e la sua evoluzione, tuttavia sanno che è proprio il campo magnetico del Sole uno dei fattori chiave per predire l’attività solare e le tempeste. Applicando tecniche di Intelligenza Artificiale combinate con lo studio dei processi fisici che avvengo sul Sole gli studiosi del sole e dello spazio interrogano la complessità e le proprietà del campo magnetico in quelle regioni della superficie del Sole, potenzialmente le future responsabili delle super tempeste, per rendere la nostra società tecnologica protetta da eventi estremi della nostra stella.

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La cronaca della serata è nella seconda puntata

L’articolo è pubblicato in COELUM 269 VERSIONE CARTACEA