Cosa è una tempesta solare?

Come ho raccontato in la più grande tempesta solare dal 2005 in questi giorni il sole sta attraversando un periodo di intensa attività. Il gruppo di macchie solari 1402 ha infatti emesso un brillamento solare con una CME associata che ha raggiunto la Terra. Come abbiamo visto in particelle solari questi eventi provocano i cosiddetti eventi di particelle solari (SPE). Sono stato invitato a parlare della natura di questi eventi e sui possibili effetti sulla sicurezza per gli astronauti durante il podcast AstronautiCAST (potete scaricare l’episodio qui). Vorrei quindi approfondire l’argomento anche qui sul blog.

Abbiamo già parlato di ciclo solare, macchie solari, brillamenti e CME, ma come sono associati questi concetti e in cosa si differenziano?

Partiamo dalla struttura del sole. Il sole è una stella della sequenza principale con una massa di 2 × 10³⁰ kg (rappresenta da solo il 99,8% della massa del sistema solare) costituito essenzialmente di idrogeno (74%) ed elio (25%). Poiché il Sole non ha una superficie solida, ma si trova allo stato di plasma è soggetto ad una rotazione differenziale: infatti ruota più velocemente all’equatore di quanto non faccia ai poli. Il periodo di rotazione varia tra i 25 giorni dell’equatore e i 35 dei poli.

La rotazione differenziale del sole è alla base del ciclo solare. Infatti il campo magnetico solare (fortemente accoppiato con il plasma della fotosfera) viene deformato dalla rotazione differenziale e mentre il ciclo solare avanza viene sempre più attorcigliato intorno alla stella. Nei periodi di minimo solare siamo in configurazioni descritti dalla fase 1 della figura, mentre nei periodi di massimo il campo magnetico assomiglia alla fase 3.

In questa configurazione in cui il campo è fortemente attorcigliato esso può formare una sorta di arco al di sopra della fotosfera. Nei punti in cui il campo fuoriesce esso inibisce il flusso di calore e produce le macchie solari, che infatti sono più fredde del normale e si osservano in coppie. Questo processo continua fino a che il dipolo magnetico è totalmente distrutto e la polarità del campo magnetico si inverte. Per questo motivo è più corretto dire che il ciclo solare duri 22 anni (invece che 11) perché è questo il tempo che il campo magnetico impiega a ritornare nella configurazione iniziale con i poli non invertiti.

Questo comportamento è ben evidente nelle seguenti immagini di sole quieto e sole attivo (immagini in falsi colori dell’emissione radio del sole ripresa dal Very Large Array radio telescope). I punti più intensi corrispondono alle macchie solari (fonte: NRAO solar radio emission).

Altre immagini in cui si vede chiaramente come le macchie solari mostrino la struttura sottostante del campo magnetico.

Questo mosaico di immagini della sonda SOHO della NASA riprese nell’ultravioletto estremo (fonte: http://www.astronet.ru/db/xware/msg/1224916) mostra il collegamento tra ciclo solare e numero di macchie solari.

L’aumentata intensità del vento solare durante i periodi di massimo solare inoltre attenua il flusso dei raggi cosmici galattici con energie sotto a 1 GeV/n.

Dopo aver visto cosa sono le macchie solari passiamo a descrivere i brillamenti solari (solar flares in inglese). I brillamenti solari sono enormi esplosioni che avvengono nell’atmosfera solare. L’effetto dei brillamenti è una improvvisa accelerazione di particelle, riscaldamento del plasma fino a decine di milioni di gradi e l’espulsione di enormi quantità di massa solare. I brillamenti sono classificati come A, B, C, M o X a seconda della loro luminosità nei raggi X vicino alla Terra, misurata in Watt/m². Ogni classe è dieci volte più potente di quella precedente, con X (la più grande) pari a 1012 W/m², ed inoltre è divisa linearmente da 1 a 9, quindi un brillamento X2 è quattro volte più potente di uno M5. L’attività solare si trova normalmente compresa tra le classi A e C.

Esistono due tipi principali di brillamenti: brillamenti impulsivi e graduali.
I brillamenti impulsivi accelerano principalmente elettroni insieme a piccole quantità di protoni. La loro durata va da qualche minuto fino ad alcune ore e la maggioranza proviene da regioni vicino all’equatore solare.
I brillamenti graduali accelerano invece elettroni, protoni e nuclei pesanti fino a velocità prossime a quelle della luce. Avvengono principalmente in regioni vicino ai poli.

Di seguito il video del recente brillamento del 22 Gennaio. E’ molto interessante notare come nella regione interessata dal brillamento sia visibile la struttura del campo magnetico che fuoriesce dalla fotosfera. In questo video come in altre foto gli archi che escono dalla superficie solare sono infatti dovuti all’emissione delle particelle del plasma che spiraleggiano lungo le linee di campo, rendendolo così visibile.

Le particelle accelerate dai brillamenti finiscono nei raggi cosmici solari, noti anche come SEP (particelle solari energetiche). Gli eventi di particelle solari (SPE) risultanti sono definiti in base al numero di protoni misurati. Eventi importanti mostrano per i protoni sopra a 30MeV una fluenza totale maggiore di 10⁶/cm². Avvengono circa 50 eventi di questa intensità per ogni ciclo solare. Eventi maggiori hanno invece una fluenza di protoni sopra a 10 MeV maggiore di 10¹⁰/cm². Ci sono circa uno o due eventi di questo tipo per ogni ciclo. Gli eventi di particelle solari associati con i brillamenti hanno fino a 30° di estensione spaziale.

Le CME (coronal mass ejection) sono invece, come dice il nome, massicce emissioni di massa coronale, costituita perlopiù da plasma di protoni ed elettroni. Insieme al plasma viene trasportato anche il campo magnetico che si propaga nello spazio interplanetario andando ad interferire con i campi magnetici planetari incontrati lungo il cammino. Come abbiamo visto, il campo magnetico terrestreviene deformato da questa interazione e una CME può distorcerlo al punto da abbassare la sua capacità di deflettere i raggi cosmici (tecnicamente, viene abbassato il cutoff geomagnetico). Inoltre le particelle energetiche vengono incanalate lungo le linee di campo e raggiungono quote basse formando le aurore polari. L’estensione angolare di una CME può arrivare fino a 180° spazzando praticamente metà del piano del sistema solare. La velocità di propagazione delle particelle di questa ultima CME è stata stimata intorno a 2200 Km/s.

Nel video seguente potete osservare, dal secondo 7, la recente CME osservata con un coronografo. Osservate l’estensione del fenomeno così come le prime particelle relativistiche che arrivano sul sensore del coronografo visualizzate come strisciate bianche.

Nel seguente video, dal secondo 33, una rappresentazione grafica della propagazione di una CME nello spazio interplanetario.

Recenti studi mostrano che i brillamenti solari e le CME potrebbero avere entrambi origine dal fenomeno della riconnessione magnetica. La riconnessione magnetica è il riarrangiamento delle linee di campo quando due campi magnetici contrapposti vengono posti a contatto. Questo riarrangiamento è accompagnato dal rilascio improvviso dell’energia immagazzinata nei due campi opposti originali.
Nel sole gli archi di campo magnetico che fuoriescono dalle macchie solari possono estendersi fino al punto che le linee vengono riconnesse in archi di altezza inferiore, lasciando una bolla di campo magnetico disconnessa dal resto dell’arco. Il rilascio improvviso di energia causa il brillamento mentre il campo magnetico e il plasma di protoni ed elettroni contenuti nella bolla proiettate verso l’esterno si espandono violentemente dando luogo alla CME.

Dopo aver descritto i vari fenomeni fisici che si trovano dietro a quelle comunemente note come tempeste solari, vediamo ora se e come questi eventi possano essere pericolosi per la sicurezza degli astronauti. Mentre il campo geomagnetico protegge gli equipaggi in orbita LEO anche dagli eventi solari, questa protezione non è disponibile in un viaggio interplanetario fuori dalla magnetosfera. Il flusso di protoni durante un viaggio verso la Luna o verso Marte sarebbe simile a quello misurato dai satelliti geostazionari della serie GOES. Una delle più grandi SPE registrate è avvenuta nell’Agosto 1972, proprio tra le missioni Apollo 16 e Apollo 17. Se ci fosse stata una capsula Apollo in viaggio verso la Luna durante questo evento gli astronauti sarebbero andati incontro a una sindrome acuta da radiazione potenzialmente letale. Durante l’evento solare di Ottobre 1989, la missione Shuttle STS-34 era in un’orbita poco inclinata (34°) per lanciare la sonda Galileo verso Giove. A causa della bassa inclinazione dell’orbita, la protezione del campo geomagnetico fu sufficiente per non far misurare nessun incremento di dose durante questa missione. Contemporaneamente, a bordo della stazione spaziale MIR, il dosimetro R-16 misurò 40 mGy durante gli eventi di settembre e ottobre del 1989, equivalenti a 100 giorni di esposizione normale sulla MIR.

Chiudo con un video che risponde a varie fantasie dei complottisti che associano questo aumento dell’attività solare con le profezie Maya sulla fine del mondo nel 2012. Addirittura girano voci sul fatto che la NASA abbia ammesso queste correlazioni e abbia previsto per il 2012 super tempeste solari che spazzeranno via la civiltà tecnologica dalla faccia della Terra. La NASA avrebbe mandato anche una mail ai dipendenti dicendo di stare pronti.

Sentiamo cosa ne pensa la NASA: “Questo ciclo solare che culminerà nel 2014 sarà analogo a quello che verrà dopo, e a quello che è appena passato. Ci sono sempre brillamenti solari, qualche volta sono più grandi e qualche volta più piccoli. Anche l’evento solare più potente degli ultimi 10000 anni non potrebbe privarci della protezione dell’atmosfera (e del campo geomagnetico). CME avvengono di continuo e colpiscono la Terra una o due volte alla settimana e gli effetti sono in genere minimi. Quelle molto potenti producono aurore molto intense e possono avere effetti su satelliti e linee elettriche, ma questi effetti sono conosciuti e tenuti in considerazione da chi li gestisce. E poi abbiamo sistemi di allarme, visto che queste CME possono impiegare 2 o 3 giorni per raggiungere la Terra, e possiamo quindi prendere precauzioni. Conosciamo il Sole abbastanza bene e lo osserviamo 7 giorni su 7, 24 ore al giorno da sapere che questa super tempesta che spazzerà via la Terra semplicemente non ci sarà.”