“In a nutshell” about Aurora – 0.Il Sole

“Meteo Spaziale”, vento solare e tempeste solari

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Questo è un viaggio per brevi episodi al fine di comprendere il fenomeno dell’Aurora, da dove nasce, le sue caratteristiche e il messaggio che essa veicola.

La nostra stella produce e perde costantemente ingenti quantità di energia e materia, emettendo esplosioni di radiazioni, elettroni e protoni ad alta velocità e altre particelle altamente energetiche nello spazio.

“Costantemente” significa ininterrottamente ogni singolo secondo della sua vita che dura da 4,5 miliardi di anni e ne durerà altrettanti fino alla fase di Gigante Rossa e poi Nebulosa planetaria per finire in un’infinita pensione come Nana bianca e concludersi come Nana nera.

“Costantemente” significa anche che continua incessantemente a bruciare mentre da te è brutto tempo, mentre sei in ferie, mentre dormi, mentre guardi un film, mentre fai sport, mentre guardi il cielo stellato, ti immergi sott’acqua oppure fai un’escursione speleologica… insomma non smette proprio mai!

Queste ingenti quantità di energia e materia che perde, sono sotto forma di radiazioni elettromagnetiche ed enormi colossali flussi di plasma caldissimo che a sua volta produce e segue intensi campi magnetici.

Questo è proprio il motivo per cui noi possiamo vedere la nostra stella e le stelle in generale, il fatto che perde costantemente tutta questa montagna di energia (composta da radiazioni elettromagnetiche, plasma e particelle ad alta velocità).

Tutto questo forma il cosiddetto “Meteo spaziale” o “Space Weather”.

Cosa sono le “tempeste solari”

Il Dottor Odenwald della Nasa descrive le “tempeste solari” come “una minaccia silenziosa, i migliori bombardieri invisibili del Sistema Solare”

U.S. Air Force photo

Il termine “tempesta solare” è diventato popolare come un modo per descrivere esplosioni di materia ed energia dal Sole.

Un tipo di queste esplosioni sono i Brillamenti solari – flares, i “fulmini” del Sole, che si formano nelle regioni attive, dove i campi magnetici sono più intensi, e producono improvvise esplosioni di energia elettromagnetica che viaggia alla velocità della luce (Radio, Infrarossi IR, Visibile, ultravioletti UV, X e gamma).

Tale energia riscalda e accelera la materia presente nell’atmosfera solare, creando delle spettacolari Protuberanze e scagliando verso la Terra, se essa si trova nella traiettoria, grandi quantità di radiazioni e particelle cariche. Queste particelle energetiche (protoni ed elettroni) causano problemi ad astronauti, voli ad alta quota e temporanee interferenze a satelliti e comunicazioni radio (black out radio), per cui si parla di “Tempeste di radiazione solare”.

A grandi linee, la zona luminosissima è il brillamento, mentre spesso associati ad esso sono l’arco di plasma che viene proiettato a gran forza nella Corona del Sole, detto Protuberanza, e l’eventuale Emissione di Massa Coronale CME, fenomeno però distinto.

Un altro tipo di esplosioni solari comportano espulsioni di materia, plasma accelerato, viaggiando a milioni di km all’ora, e sono le Eruzioni di Massa Coronale (CME). Il plasma poi si propaga attraverso il Vento Solare verso le regioni più esterne.
Le CME provocano interruzioni nei sistemi elettrici, malfunzionamenti dei satelliti, dei sistemi GPS e radio ed inoltre l’affascinante fenomeno delle Aurore, per cui si parla di “Tempeste Geomagnetiche” in quanto si tratta di disturbi nel campo geomagnetico.

credits Tahar Amari, Centre de physique théorique, CNRS, Ecole Polytechnique
La Terra è posizionata digitalmente per confronto

Entrambi questi tipi di esplosioni possono quindi accelerare particelle cariche, tra cui protoni ed elettroni ad alta energia; tali particelle rimbalzano e si fanno strada nello spazio, seguendo approssimativamente le linee di campo magnetico ed infine bombardando la Terra da ogni direzione, provocando tutta una serie di disturbi.

Gli scienziati chiamano questa patina della tempesta solare “Space Weather”, traducibile come “Meteo Spaziale”.
La meteorologia spaziale può causare ogni sorta di problemi sulla Terra con la nostra tecnologia, come vedremo in un altro capitolo.

Come funziona questo “Meteo” spaziale?

Il plasma fugge costantemente nella Corona solare come gas ionizzato ad alta temperatura, diventando così ciò che chiamiamo impropriamente “vento solare” costante, una “brezza letale” in realtà impalpabile ed invisibile che “soffia” in modo costante in tutte le direzioni.
Il vento solare lento e costante, collegato all’attività plasmatica e magnetica del Sole, e quindi anche alle macchie solari e ai buchi coronali.

Lo si chiama ‘vento’ ma non è un vento come noi lo intendiamo, perché non c’è nessuno spostamento d’aria visto che nello spazio non c’è atmosfera, quindi è importante che non ti immagini con la tua tuta da astronauta mentre ti pieghi in avanti per contrastarne lo spostamento.
Non percepirai alcuno spostamento né sentirai alcuna spinta né tantomeno vedrai alcunché! Al contrario, incredibilmente rispetto alle tue aspettative, sarà solo silenzio, immobilità e leggerezza…

In realtà nello spazio, essendo la presenza di particelle di gas molto molto molto molto rarefatta, non può di conseguenza esistere un fenomeno come quello che conosciamo per “vento”, ma il senso lo da comunque chiaramente.

Per completezza, il vento solare è costituito essenzialmente di:
protoni (95%)
elettroni
altri ioni più pesanti come l’Elio doppiamente ionizzato chiamato anche particelle alfa (He++, 4%), Ossigeno e Ferro
Tutte queste particelle sono trascinate da un intenso campo magnetico.

Il plasma è costituito da materiale per noi invisibile eccetto quando, come nel caso dell’aurora, interagisce con il campo magnetico terrestre

… oppure quando vediamo con gli opportuni strumenti gli spettacolari fenomeni sulla superficie e sull’atmosfera del Sole (brillamenti, protuberanze, eruzioni, macchie, buchi coronali, etc.. post “Il Sole 1/3”).

Questo vento “soffia” essenzialmente con la stessa velocità fino all’orbita di Nettuno (le frecce che premono verso i bordi della sfera), e si prevede che a una distanza di circa 120 unità astronomiche (UA) urti il mezzo interstellare e formi un fronte d’urto dove improvvisamente rallenta, chiamato Eliopausa.

Infatti, piccola parentesi, anche il Sole, esattamente come fanno tutti i pianeti del Sistema solare che ruotano attorno a lui catturati nel suo enorme campo gravitazionale, a sua volta “vola” spedito attorno al centro della galassia, la Via Lattea…

Qui vediamo meglio l’ingrandimento del riquadro specifico sul Sole

…e una efficace rappresentazione del suo movimento…

Il vento solare “urta” il mezzo interstellare nella Eliopausa, di conseguenza l’Eliosfera ha un aspetto simile alla magnetosfera terrestre, un lato più schiacciato e un lato più allungato.
Rispetto a questa immagine sappiamo che le sonde Voyager 1 e 2 hanno già abbondantemente superato l’Eliopausa e sono uscite dalla Eliosfera.

A questo “vento” di sottofondo si sommano tuttavia componenti o flussi aggiuntivi:

Le zone d’origine del Vento Solare nelle sue componenti lenta (i pennacchi che hanno a che fare con gli archi coronali) ed in quella veloce (i buchi coronali), collegate a stati diversi del campo magnetico, linee chiuse e linee aperte.
  • il vento solare veloce che si produce nei buchi coronali, visibili ai raggi x, aree dove la corona del Sole è più scura, più fredda delle zone circostanti, il plasma possiede una densità inferiore, il campo magnetico è debole e le linee del campo magnetico si aprono nello spazio
  • il vento solare veloce, collegato ad “eruzioni di massa coronale CME” , flussi di particelle ad alta velocità provocati dall’intensa attività plasmatica e magnetica della nostra stella (oceani di plasma roteante che sviluppano enormi campi magnetici, i quali a loro volta incanalano enormi quantità di plasma verso la superficie dalle profondità)

Tale attività è a sua volta correlata al ciclo solare undecennale (se il ciclo cresce, aumentano macchie ed attività in superficie).

Parlando di cifre:

  • il vento solare lento e costante raggiunge i 300-500 km/secondo
  • il vento solare veloce dovuto ai buchi coronali raggiunge 400-750 km/secondo
  • a questi si sommano le casuali e periodiche eruzioni di massa coronale CME associate o meno ai brillamenti, che possono arrivare fino ad oltre 2.000 km/sec (per raggiungere la Terra in appena 18 h, coprendo la distanza che ci separa dal Sole ovvero 150 milioni di km = 1 UA, deve viaggiare a più di 2.000 km/sec).
  • Infatti le particelle cariche (tra cui elettroni e protoni ad alta energia) possono essere accelerate da CME e brillamenti. Le più veloci di queste particelle possono colpire la Terra appena decine di minuti dopo un brillamento.

Con queste velocità si calcola facilmente che il vento solare costante investe costantemente il nostro pianeta arrivando in 3-5 giorni; questo significa che, essendo esso costante ed ininterrotto, il vento solare che ci sta “colpendo” proprio ora è in realtà partito 3-5 giorni fa dalla superficie del Sole!

“Dalla superficie”, mi raccomando!
È molto diverso infatti dire “è partito dalla superficie” rispetto al dire “è partito dal nucleo della nostra stella”, poiché il viaggio del fotone gamma “solamente” dal nucleo alla superficie (695.000 km circa) impiega in realtà incredibilmente centinaia di migliaia fino al milione di anni!

Spesso e volentieri però, come dicevo, il vento solare costante porta con sé anche altro. Quando infatti si parla di eruzioni di massa coronale – CME dovute a “tempeste magnetiche”, il tempo impiegato è inferiore a quello del vento solare costante e lento, poiché la velocità di spostamento di tale materia è molto più alta.
Una nuvola magnetica indirizzata verso il nostro pianeta può impiegare anche solo una giornata a percorrere tutti i circa 150 milioni di km che ci separano dalla nostra stella (Unità Astronomica).

dimensioni verosimili, ma distanze non in scala, per confronto

Può tuttavia succedere che, durante il viaggio della nube magnetica, la Terra si sia spostata nella sua orbita abbastanza da evitare lo scontro, nel qual caso il nostro pianeta verrà mancato e quindi non avverrà l’interazione che poi provoca l’aurora.

distanze e dimensioni assolutamente non in scala. In realtà la Terra confrontata con una gigantesca nuvola appare come un granello di sabbia

Quindi deve essere chiaro che:

  • il vento solare, essendo emesso costantemente a 360°, investe continuamente la Terra
  • le eruzioni di massa coronale o CME investono la Terra solo quando l’enorme nuvola magnetica è diretta verso la nostra direzione, sempre che la Terra nel corso del viaggio della nuvola non si sia nel frattempo spostata via dalla traiettoria
  • un brillamento o flare è invece praticamente un flash di radiazioni solari molto più localizzato, un po’ come una torcia che si accende e spegne in un breve lasso di tempo: la radiazione emessa viene “sparata” in tutte le direzioni, ma raggiunge la Terra solo se è precisamente frontalmente diretta verso di noi.
    Le particelle altamente energetiche associate raramente però raggiungono la superficie terrestre, venendo schermate dalla magnetosfera, possono tuttavia creare problemi a satelliti, astronauti e voli ad alta quota

Per concludere inserisco qui una comodissima infografica della NOAA, che riproporrò in alcuni altri post di questa serie About Aurora, poiché serve perfettamente allo scopo di utilissimo riassunto.

Per ingrandire l’immagine e poter così leggere tutto l’utile esplicativo testo, clicca qui

A presto con il terzo capitolo dove approfondisco brevemente brillamenti ed eruzioni di massa coronale, in modo tale da non confonderli. Prima però bisogna passare dal secondo, passaggio fondamentale. Ecco gli altri link della serie:
“In a nutshell” about Aurora – 1.Riconnessione Magnetica
“In a nutshell” about Aurora – 2a.Flares vs CME: scontro di Titani
“In a nutshell” about Aurora – 2b.Flares vs CME: scontro di Titani
“In a nutshell” about Aurora – 3a.Campo magnetico terrestre

“In a nutshell” about Aurora – 3b.Fasce di Van Allen
“In a nutshell” about Aurora – 3c.Cometa, toroidi e particelle

Link utili:
– Sito informativo sullo Space Weather, della NOAA
– Dr. Sten Odenwald NASA (Astronomo) – Rubrica “Chiedi allo Scienziato Spaziale”
– Tesi di Laurea in Fisica, Filippo Sottocorona

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