La radiazione nell’atmosfera misurata da Stratospera

Questo post partecipa al 23° carnevale della fisica che sarò ospitato sul sito Scientificando. Il tema è “l‘infinitamente grande e l’infinitamente piccolo” e mi sembrava un buono spunto per presentarvi un grande risultato raggiunto da un piccolo team di appassionati.

Vi ho già parlato (qui) del terzo lancio di un pallone amatoriale da parte del team di  Stratospera che ha raggiunto la quota record di 39610 metri (primo posto nella classifica italiana dei lanci di palloni amatoriali e quarto posto in quella mondiale).

Ma questi lanci sono interessanti perché trasportano un payload con una fotocamera per le riprese di foto e video e un contatore geiger HADARP, per cui è possibile riprendere degli spettacolari panorami, simili a quelli visti dagli astronauti durante le missioni spaziali, ed effettuare misure del livello di radiazione nell’atmosfera.

Ecco gli splendidi panorami di StratoSpera 3 elaborati da Francesco Bonomi.

       Il mare Adriatico. Il Nord è a sinistra.

         L’Italia centro-meridionale, con i laghi Trasimeno e di Bolsena a destra. Il Sud è in alto.

HADARP (High Altitude Data Acquisition Radioactivity Probe) è un contatore Geiger, realizzato da Matteo Negri e Davide Andreani, sensibile alla radiazione alfa (nuclei di elio), beta (elettroni), X e gamma. La radiazione atmosferica è in gran parte dovuta alle particelle primarie dei raggi cosmici, che interagendo con l’atmosfera, producono particelle secondarie. I raggi cosmici primari sono principalmente costituiti da protoni e nuclei di elio (come visto in L’ambiente di radiazione in orbita terrestre e in I raggi cosmici galattici) che producono la maggior parte delle particelle secondarie. Queste particelle secondarie sono generalmente instabili e decadono velocemente in muoni e neutrini. I neutrini (che sono sicuramente le star delle particelle in questo periodo – per approfondire vedere le note in fondo) sono particelle molto elusive e dunque la radiazione atmosferica è quasi integralmente dovuta ai muoni.

Il contatore geiger HADARP montato a bordo di Stratospera 3 ha potuto misurare questa radiazione atmosferica per quasi tutta l’ascesa del pallone (fino a circa 33 km).

 

Ricordando che i contatori Geiger misurano la radiazione contando il numero di interazioni senza misurare l’energia rilasciata dalla singola particella, abbiamo quindi come risultato della misura di HADARP il flusso di particelle in cpm (counts per minute, conteggi al minuto). Il risultato è mostrato nella figura seguente:

Ho riportato i conteggi misurati da HADARP in funzione dell’altitudine e ho aggiunto anche le stesse misure effettuate durante il volo di Stratospera 2. Come si vede chiaramente, l’accordo tra le due misure è molto buono (il che depone a favore della correttezza della misura secondo il principio della ripetibilità della misura alla base del metodo scientifico) nella quota comune ad entrambi i voli. Possiamo osservare come alla quota di maggior flusso (intorno ai 18 km) il numero di conteggi al minuto è circa 60 volte maggiore rispetto che a terra. Inoltre dopo i 18 km il flusso di particelle diminuisce di circa un fattore 2 rispetto al massimo. Questo risultato è in accordo con i modelli teorici e con precedenti misure del flusso di muoni nell’atmosfera:

La diminuzione del flusso dopo una certa quota è spiegata dalla natura secondaria delle particelle che andiamo a rivelare. Infatti i raggi cosmici primari interagendo con l’atmosfera generano uno sciame di particelle secondarie che ha un massimo (in larghezza e in numero di particelle secondarie prodotte) per poi andare a diminuire a causa dell’assorbimento di queste particelle secondarie da parte dell’atmosfera. Per questo (provenendo dall’esterno dell’atmosfera) il numero di particelle misurate aumenta fino ad un massimo per poi diminuire avvicinandoci alla superficie terrestre. Questo andamento non è direttamente collegato con la dose dovuta alla radiazione poiché generalmente le particelle secondarie sono di più bassa energia rispetto alle primarie. In generale quindi la dose aumenta allontanandoci dalla superficie terrestre dove troviamo un maggior numero di particelle primarie non schermate dal campo magnetico terrestre (come visto ne Il campo magnetico terrestre).

Concludo sottolineando ancora l’ottimo risultato ottenuto dal piccolo team del progetto StratoSpera ottenuto con un budget modesto.

Fonti:
StratoSpera 3 sfiora quota 40.000 metri nella stratosfera
Panorami di StratoSpera 3
StratoSpera 2 vola nella stratosfera sopra l’Italia centrale
Il contatore geiger HADARP versione 2.0
Il contatore Geiger HADARP

“Lepton spectra in the earth’s atmosphere”, Paolo Lipari, Astroparticle Physics 1 (1993)
“Balloon Measurements of Cosmic Ray Muon Spectra in the Atmosphere along with
those of Primary Protons and Helium Nuclei over Mid-Latitude”, R. Bellotti et al., (1999)

Pubblicità