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Influenza delle tempeste solari sull’atmosfera terrestre

 

livello elementare
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ARGOMENTO: METEOROLOGIA
PERIODO: NA
AREA: EMISFERO BOREALE E AUSTRALE
parole chiave: macchie solari, dinamo solare, atmosfera, tempeste elettromagnetiche, clima

Elson Air Force Base, Alaska – L’Aurora Boreale brilla sopra il lago Bear. Le luci sono il risultato di particelle solari che si scontrano con i gas nell’atmosfera terrestre. I primi eschimesi e indiani credevano che fossero le anime degli animali che danzavano nel cielo o le anime dei nemici caduti in battaglia che cercavano di risorgere (U.S. Air Force photo credit Senior Airman Joshua Strang)

Le spettacolari tempeste solari che creano quelle straordinarie aurore boreali o australi (in funzione dell’emisfero di osservazione) hanno sempre affascinato l’Uomo. Popolazioni nordiche come i Lapponi (Saami), che vivono a nord del Circolo Artico su territori appartenenti alla Finlandia, alla Svezia ed alla Norvegia settentrionale, credevano che quelle misteriose luci nel cielo fossero le anime dei defunti dirette verso l’aldilà. Queste tribù, per lo più solitarie e composte da cacciatori e pescatori, credevano che avessero effetti magici i cui poteri potevano essere chiamati dal battere dei tamburi degli sciamani. Nel folklore norvegese erano gli spiriti delle anime sagge della tribù, mentre in Scozia, una terra estrema che fu colonizzata dai Norreni, le aurore erano definite “i ballerini allegri” del cielo. Niente di più facile in quanto quelle luci multicolori sembrano davvero danzare.  Anche le tribù indiane canadesi e dell’Alaska sud-orientale le identificavano come spiriti umani o di animali. Immaginatevi lo stupore e il timore dei primi navigatori vichinghi che con le loro minuscole navi attraversavano quei mari dell’estremo nord, assistendo a questi fenomeni sconosciuti.

aurora vista dallo spazio

Un fenomeno fisico noto
Oggi sappiamo che l’aurora è un fenomeno ottico dell’atmosfera terrestre, caratterizzato principalmente da bande luminose con un’ampia gamma di forme e colori che vanno dal rosso al verde fino all’azzurro, simili a pennellate di luce che illuminano i cieli notturni. Esse sono generate dalle tempeste solari a causa dall’interazione delle particelle del vento solare con la ionosfera terrestre, i cui atomi emettono luci di varie lunghezze d’onda.  

A causa della geometria del campo magnetico terrestre, le aurore sono visibili in due ristrette fasce attorno ai poli magnetici della Terra, dette ovali aurorali. Ma al di là dell’effetto straordinario, le aurore possono causare problemi sulle reti elettriche, in particolare sui sistemi di comunicazione ed i satelliti. Questo inconveniente le rende soggetti di studio attento da parte degli scienziati. Le fonti storiche parlano di un evento particolarmente invasivo, accaduto nell’agosto 1859 lungo una vasta area del territorio americano.

incredibile effetto di una aurora boreale – fonte NASA

Le aurore boreali furono particolarmente intense e le strumentazioni scientifiche subirono forti e, allora, inspiegabili disturbi, dovuti alla generazione di correnti spurie lungo le linee telegrafiche. Il giorno seguente, l’astronomo inglese Richard Christopher Carrington osservò sul Sole delle macchie solari di dimensioni insolitamente grandi, dalle quali sembravano partire lampi di luce biancastra. A seguito di questo fenomeno ci fu una nuova formazione di aurore di grande intensità. Dopo la “Grande Aurora” del 1859, gli scienziati dimostrarono che il fenomeno era legato ad eventi solari e che la perturbazione elettromagnetica subita era commisurata all’intensità delle emissioni solari. Da allora molti studi sono stati effettuati e, un recente studio suggerisce che la fonte di influenza di queste tempeste solari sia molto più vicina al nostro pianeta di quanto si pensasse in precedenza (circa a quattro diametri terrestri dal limite della nostra atmosfera).

Che cosa significa e cosa può comportare?
Facciamo un passo indietro. La Terra e noi su di essa possiamo vivere grazie ad una sfera protettiva, che chiamiamo magnetosfera, che blocca le radiazioni solari dannose. Normalmente non ci sono problemi ma, quando il Sole emette flussi di radiazione ad alta velocità possono interagire fortemente con il campo magnetico del nostro pianeta e sulla nostra vita di ogni giorno. Mentre questo vento solare colpisce la magnetosfera, i due gruppi di linee del campo magnetico si intrecciano. Questa interazione genera calore e accelera le particelle cariche – ioni ed elettroni – portate dal vento solare, indebolendo temporaneamente il campo magnetico del pianeta e creando potenti tempeste magnetiche la cui manifestazione visiva sono le aurore. Lo studio si è basato sulle osservazioni dei satelliti della NASA del progetto THEMIS, acronimo inglese per Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms, ovvero “Cronistoria degli eventi e interazioni su macroscala durante le sub-tempeste (solari)”. Questa missione della NASA fa parte del Programma Explorer ed è compiuta contemporaneamente da cinque  satelliti in orbita geosincrona intorno alla Terra.

In pratica, durante le tempeste solari, questi satelliti posti sulla coda della magnetosfera terrestre (la parte della magnetosfera sul lato del pianeta non rivolta verso il sole, allungata nello spazio dal vento solare) hanno effettuato delle misure sulle variazioni del campo magnetico. I ricercatori hanno scoperto che questi eventi fisici, che provocano le tempeste magnetiche sulla Terra, possono verificarsi molto più vicino al nostro pianeta di quanto si pensasse in precedenza ovvero a circa 3-4 diametri della Terra di distanza.

L’illustrazione mostra cosa succede nella magnetosfera terrestre durante una tempesta magnetica. I tre satelliti THEMIS hanno osservato la riconnessione delle linee del campo magnetico vicino all’orbita geosincrona. Il sito di riconnessione (X) ha creato deflussi di particelle energizzate verso e lontano dal pianeta. Le particelle dirette verso il pianeta trasportavano energia lungo le linee del campo magnetico per alimentare le aurore ai poli magnetici terrestri e sono state rilevate dal satellite meteorologico (a sinistra della freccia) (image credit: Emmanuel Masongsong/UCLA)

Un satellite meteorologico ha rilevato elettroni energizzati durante la tempesta solare, fatto che sembra dimostrare che questi eventi, detti di riconnessione magnetica, accelerano ioni ed elettroni ad alta energia. Gli elettroni trasportano questa energia lungo le linee del campo magnetico e creano quindi le aurore alle alte latitudini. Questa accelerazione delle particelle può danneggiare i satelliti in orbita geosincrona ma, cosa che ci riguarda maggiormente, potrebbero avere un’influenza pericolosa sugli esseri viventi. Ad esempio possono modificare il DNA umano, aumentando così il rischio sanitario per gli astronauti in orbita. Inoltre, come abbiamo accennato, queste tempeste magnetiche possono creare disservizi anche sensibili alle comunicazioni. Immaginatevi il caos generato dall’improvvisa perdita dei segnali di navigazione di navi ed aerei. Nel 1921 una tempesta solare causò interruzioni di corrente che portarono all’incendio di una  centralina elettrica nella stazione ferroviaria a New York City.

Perché si formano le tempeste solari?
I fisici solari non sono concordi sulla causa di queste tempeste ma ritengono che nel processo sia coinvolta la dinamo solare, ovvero il processo interno che crea il campo magnetico del Sole. Una teoria afferma che il campo magnetico solare interno subisca delle variazioni mentre il Sole ruota.

Il Sole è circondato da un campo magnetico dipolare, così come molti altri corpi celesti. Il campo dipolare è prodotto da una corrente elettrica circolare che circola seguendo la legge di Ampère. Questa corrente è prodotta da uno “stiramento di materia” fra parti differenti del Sole che ruotano a velocità diverse, facilitati dal fatto che il Sole è un ottimo conduttore elettrico.  fonte: http://www.konkoly.hu/solstart/stellar_activity.html

Le linee del campo magnetico permettono al gas caldo di risalire in superficie. In certi casi questo non avviene e si formano sulla superficie dei punti relativamente freddi, comunemente chiamati macchie solari, (circa 4500 Kelvin rispetto alla normale temperatura superficiale del Sole di circa 6000 Kelvin). Il flusso di particelle del gas riscaldato emesso intorno a queste macchie solari crea quei brillanti archi di luce filmati dagli astronomi. Le attività solari che hanno il maggior potenziale “distruttivo” sono i brillamenti solari e l’espulsione di massa coronale. Questi eventi incredibilmente potenti sono sempre causati dall’interazione delle linee di campo magnetico nel Sole.

macchie solari, NASA

Durante le emissioni energetiche di grandi dimensioni, la riconnessione dei campi può generare tanta energia che le particelle vengono accelerate ad un’alta percentuale della velocità della luce, causando un flusso incredibilmente alto di particelle nello spazio, il vento solare. La misura dell’attività solare (minima o massima) è quindi evidenziata dalle presenza delle macchie solari e dei brillamenti solari ed è proprio durante il massimo solare che è possibile assistere a fenomeni di particolare intensità. In realtà, non è solo la frequenza di questi eventi di cui dobbiamo preoccuparci, ma anche della loro intensità. Più intensa è l’attività, maggiore è il potenziale di danno per la vita sulla Terra.

E’ possibile prevedere i cicli solari?
La capacità degli scienziati di prevedere le tempeste solari è ancora agli inizi. Gli scienziati osservano la formazione delle macchie solari e, grazie alle moderne tecnologie sono in grado di monitorare le macchie solari sul “lato posteriore” del Sole, il che può far prevedere un’imminente attività solare. Non è ancora stato compreso pienamente perché si verifica questo ciclo. Sembrerebbe che sia coinvolta la dinamo solare, il processo interno che crea il campo magnetico del Sole. Secondo una teoria condivisa, le linee di forza del campo magnetico solare interno si attorcigliano mentre il Sole ruota, proibendo al gas caldo di risalire in superficie. Questo crea punti relativamente freddi (identificati dalle macchie solari) rispetto al resto della superficie (circa 4500 Kelvin, contro la normale temperatura superficiale del Sole che è di circa 6000 Kelvin). Quando vengono emesse particelle e flusso di gas riscaldato intorno a queste macchie, esse generano brillanti archi di luce noti come getti o lingue di plasma. L’emissione di questi getti è collegata anche alla formazione di onde di plasma che sono il motore che spinge verso lo spazio le particelle cariche (elettroni e protoni) emesse dal sole, ossia il vento solare.

 

Gli astrofisici ritengono che il ciclo delle tempeste solari abbia dei picchi ogni 500 anni. Dopo quello del 1859, ne avvenne uno particolarmente invasivo nel 1960 (anche se stimato di un’intensità del 50% rispetto a quello del 1859) che provocò interruzioni radio in tutto il pianeta. Questo aspetto preoccupa in particolar modo gli scienziati perché una tempesta solare eccezionale potrebbe causare ingenti danni economici e si dovrebbero mettere in atto misure per procrastinare attività sensibili, deviare le rotte degli aerei, e proteggere le reti di comunicazione. Un fattore consolidato è la durata dei cicli solari. Di fatto, l’attività magnetica solare varia ciclicamente ogni undici anni con periodi di minima e di massima intensità. Questo ciclo è stato determinato osservando le variazioni del Sole e l’influenza su fenomeni terrestri come le aurore. Un ciclo legato alla fisica del Sole ma forse anche all’influenza che i pianeti. Nel 2012 fu ipotizzato che l’attività magnetica solare a lungo termine fosse anche modulata da effetti gravitazionali dei pianeti. Nella primavera del 2019 un team di ricercatori, guidato da Frank Stefani del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, confrontando le attività solari degli ultimi mille anni con l’evoluzione delle costellazioni planetarie, ha indicato che i due fenomeni sono statisticamente collegati.

Influenze sul clima
La domanda che molti si pongono è se queste tempeste possano in qualche misura influenzare il clima. Attualmente c’è molto scetticismo in merito, in quanto si ritiene trascurabile la variazione di intensità termica causata dalle tempeste solari ma gli scienziati concordano che esistono dei meccanismi del sole che potrebbero in parte influenzare le variazioni climatiche in funzione dei cicli solari.

Fra di essi possiamo elencare:
Irradiazione solare totale (TSI) ovvero la misura dell’intensità dei raggi solari che colpisce la Terra. Essa è legata indissolubilmente all’attività magnetica del Sole. Nei periodi di massima attività della TSI sale, mentre nei periodi in cui si riduce l’attività magnetica scende. Va da se che maggiore è la TSI e maggiore calore arriva al nostro pianeta. E’ un concetto intuitivo. Se abbiamo due sorgenti di calore: a parità di distanza quella più calda ci fornirà una maggiore sensazione di calore.

Irradiazione ultravioletta. Le radiazioni ultraviolette (i famosi raggi UV) assorbono circa l’8% dell’energia solare che raggiunge gli strati superiori dell’atmosfera terrestre. La conoscenza della quantità di raggi UV che colpisce la Terra è di grande significato per una vasta gamma di discipline che studiano gli effetti sulla salute umana, l’agricoltura, gli ecosistemi biologici, l’andamento della quantità di ozono nella stratosfera e, naturalmente l’andamento dei cambiamenti climatici. Si è accertato che la componente UV durante le tempeste solari varia maggiormente, quindi potrebbe esserci una correlazione legata ai cicli solari e l’andamento del clima.

Fluttuazione dei raggi cosmici mediati dal vento solare. Questo fattore è curioso perché il grado massimo di ionizzazione da parte dei raggi cosmici dovrebbe verificarsi nell’intervallo di altitudine di 12-15 km, cioè al di sopra della tropopausa. Ci si aspetterebbe che qualsiasi effetto sulle nuvole, indotto dai raggi cosmici, dovrebbe essere più forte per gli strati nuvolosi più alti anziché quelli bassi. Ma non sembra che sia così. Gli strati più bassi, indipendentemente dalle latitudini, sono maggiormente influenzati.

Correlazione andamenti solari/temperature sul pianeta
Un altro fattore interessante è l’andamento nel tempo della radiazione solare sul pianeta, misurato con il radiocarbonio. Dalle misure risulterebbe che ci troviamo in un periodo di massima dopo l’ultimo minimo avvenuto circa nel 1700, un periodo chiamato piccola glaciazione che colpì tragicamente l’Europa in una morsa di freddo intenso.

Dall’andamento del grafico alcuni scienziati ritengono che siamo vicini ad un massimo della irradiazione solare che sarà seguito da due secoli di irradiazioni minori con temperature molto più basse. Questa teoria è avversata dagli scienziati dell’IPCC,  foro scientifico creato nel 1988 da due organismi delle Nazioni Unite, l’Organizzazione meteorologica mondiale (OMM) ed il Programma delle Nazioni Unite per l’Ambiente (UNEP) allo scopo di studiare il riscaldamento globale. Essi ritengono che questo aumento sia invece dovuto essenzialmente all’attività antropica. Le coincidenze sono comunque strane. 

A che punto siamo con il ciclo solare attuale?
Le eccezionali aurore visibili anche quest’anno mostrano che stiamo raggiungendo la fine del 24 ciclo. Il ciclo attuale (il 24esimo) dovrebbe infatti terminare nel 2020. Esistono molte previsioni per il prossimo ciclo (25), spesso contraddittorie e basate su metodi diversi, che vanno da una intensità molto debole ad una moderata.

Un consenso preliminare del pannello di previsione organizzato dallo Space Weather Prediction Center (SWPC), dalla NASA e dall’International Solar Energy Society (ISES) del NOAA, in merito all’andamento del prossimo ciclo solare (25), ha concluso che sarà molto simile al precedente, con un ciclo minimo lungo e profondo. Si aspettano di riavere un nuovo massimo solare tra il 2023 e il 2026. Qualora confermato, questo ci chiarirà in quale misura queste fluttuazioni influiscono sul clima terrestre.

Nel frattempo, l’aurora boreale come da milioni di anni, continuerà a danzare nel cielo.

 

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