“In a nutshell” about Aurora –2a. Flares vs CME: scontro di Titani

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1° round

Come in un incontro su un ring che dura 2 rounds, abbiamo i due pesi massimi da sempre imbattuti:

>>> ad un angolo lui, “Flare”, gigante dal diretto veloce come la luce…

>>> all’altro lei, “CME”, colosso dall’attacco inesauribile… (Eruzione di Massa Coronale: per comodità visiva in entrambi i post in rosso)

Detengono entrambi il titolo più esplosivo di sempre, anche se la seconda, tra i due, risulta quella più terrificante. Sarà uno scontro epocale! Prima di assistere però all’incontro, che sarà violento oltre ogni immaginazione, alcune avvertenze per essere psicologicamente preparati.

Prerequisito:
vedremo aspetti e caratteristiche diverse di questi due fenomeni distinti che possono venire facilmente confusi da chi non ha pratica. Se non l’avessi già fatto, vai prima a leggerti i precedenti post sul fenomeno della “Riconnessione Magnetica” e sul “Meteo o Tempo solare“, dopo sarà tutto più chiaro.

Attenzione, alcuni termini vengono usati indifferentemente come sinonimi per descrivere a volte flares e altre volte CME. Questo purtroppo genera secondo me ulteriore confusione tra i non addetti:
eruzione” – sarebbe competenza delle CME per definizione, ma è usata anche per i flares
esplosione” – valida per entrambe
radiazione” – è energia elettromagnetica (Radio, IR, Visibile, UV, X, Gamma, quindi velocità luce) prodotta in un Flare, ma si può produrre anche dalle collisioni dei campi magnetici delle CME con le componenti più lente del vento solare, col risultato di particelle accelerate ad altissime velocità

Chiaramente il presente post non ha assolutamente pretesa di esaurire l’argomento a 360°, tuttavia costituisce secondo me una buona panoramica di infarinatura per avvicinarsi ai due eventi che sono tra i più spettacolari della nostra stella. Si parte, buon divertimento!

1 – cosa sono

FLARES
Sono improvvise gigantesche esplosioni (come flash) che generano:
– raggi X (radiazione elettromagnetica)
– altissime quantità di energia in forma di particelle cariche, principalmente protoni ad alta energia (ma anche elettroni, ricordiamoci che il plasma è costituito da protoni ed elettroni del tutto slegati).

CME
Sono gigantesche eruzioni con esplosione titanica di materiale, che proietta nello spazio grandi quantità di plasma in forma di enormi “nuvole” magnetiche di particelle, come una mega-bolla.

nell’immagine coronografica, il Sole occupa il cerchio bianco centrale ed è schermato per consentire di vedere meglio l’atmosfera, la CoronaCrediti SDO NASAclick to enlarge, clicca per ingrandire

1a – Sezione precisazioni

FLARES – Protuberanze/Filamenti
Creano spettacolari “protuberanze”, strutture transitorie (durano da minuti a mesi) di plasma e gas più freddo (10.000 K) e più denso di quello della Corona.

Classificazione delle Protuberanze: A, B, C, D, E sono di lunga vita o Quiescenti; F, G, H, I sono Attive associate ad emissione di materia della cromosfera o corona. Libro Astrophysics of the Sun, di H. Zirin

Lunghe migliaia di km ed intimamente legate alle macchie solari nella loro evoluzione, viste di fronte sul disco solare prendono il nome di “filamenti”, ma è solo la prospettiva che cambia.

Credits NASA SDO AIA

Le Protuberanze sono di 3 tipi:
– quiescenti/immobili (durano giorni, mesi o anni; in media 3 mesi)
– attive (pochi minuti)
– eruttive (qualche ora e sparano materia a 50-1.000 km/sec) che possono innalzarsi fino a 400.000 km nella Corona ed esplodere materia anche per milioni di km

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CME – Eruzione di Massa Coronale
Attento: il termine “massa” è distraente.
Una CME è in realtà un’eruzione di “campo magnetico” che sfugge al Sole e sfreccia verso il Sistema Solare, quindi è più una “Eruzione Magnetica Coronale”. La massa si limita a scroccare un passaggio, questo è fondamentale capirlo.
(Dal libro “Viaggio al centro del Sole” di Lucei Green)

Credits NASA SDOclicca per ingrandire, click to enlarge

2 – causa

FLARES
Sono causati dal rilascio di energia in occasione del fenomeno di “riconnessione” delle linee del campo magnetico; verificandosi maggiormente in corrispondenza delle zone attive del campo magnetico, spesso sono associati con le macchie solari e come loro, collegati al ciclo magnetico solare.

il satellite Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI) e la sonda Solar Dynamics Observatory (SDO) della NASA hanno osservato nel dettaglio il brillamento del 17/08/2011; sovrapposizione dei dati provenienti dai due veicoli” – Credit: NASA/SDO/RHESSI/Goddard, articolo di Eleonora Ferroniclicca per ingrandire, click to enlarge

CME
Nella Corona, una particolare configurazione ad arco del campo magnetico solare, detta anello coronale o “corda / tubo di flusso” (che “intrappola” al suo all’interno una protuberanza), viene destabilizzata e si apre in modo violento, liberando un’enorme bolla di campo magnetico ricco di plasma.

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Non sempre i due fenomeni si verificano insieme, possono infatti presentarsi singolarmente, Flares senza CME, CME senza Flares, oppure associati, ma restano due eventi separati con grosse differenze.
Il video sottostante della Nasa evidenzia proprio le tre situazioni.

Credits NASA Goddard

2a – sezione FLARE e CME “associati”

Gli archi coronali sono “canali magnetici chiusi” a forma di arco, in cui scorre plasma in campi magnetici ed elettrici, e che possono trattenere una protuberanza al loro interno.

In un Flare di per sé non c’è energia termica sufficiente ad innescare il processo che porta ad una CME , e di Flares ce ne sono di varia intensità…

tutte le zone illuminate come dei flashes sono flares medio-piccoli di intensità…

Tuttavia se il Flare è abbastanza potente può rompere questi canali/archi e provocare una CME tramite il processo di “riconnessione magnetica. Ecco due coppie di straordinari esempi tratti dal video della NASA.

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Il secondo esempio di Flare e Cme associati.

“Possono esserci tempeste solari senza macchie?”
È bene ricordare che la quantità di macchie solari, brillamenti ed eruzioni di massa coronale dipende dal ciclo del Sole e denota aumento della sua attività magnetica. Tuttavia tempeste solari si verificano anche in presenza di cicli minimi solari e quindi senza la presenza di macchie, proprio come sta accadendo in questo lungo periodo di minimo solare.

3 – potenza liberata

FLARE
In 10 minuti, l’equivalente di decine di milioni, se non addirittura miliardi di bombe atomiche.

fotogramma tratto dal video NASA sulle differenze tra Cme e Flaresclicca per ingrandire, click to enlarge

CME
Una nuvola magnetica da 10 miliardi di tonnellate di materia; contiene circa 10 volte l’energia dell’eventuale Flare che l’ha provocata.

dimensioni approssimative della Terra per confronto

Con il termine “brillamento” ci si riferisce generalmente soltanto a una delle molteplici manifestazioni del flare, ovvero l’aumento di luminosità osservato nella regione visibile dello spettro, e non al fenomeno generale.

Libro “Fisica Solare” Di Egidio Landi Degl’Innocenti

4 – estensione e temperatura

FLARES
Si estendono dalla fotosfera-cromosfera (dove la temperatura media è 5.500 K = kelvin) fino all’atmosfera più esterna del Sole, la Corona, costituita da gas altamente rarefatto, normalmente con una temperatura di 1-2 milioni K.
La temperatura all’interno di un Flare raggiunge diverse decine di milioni k e così riscalda il plasma della Corona fino a tali temperature.

CME
Inizialmente sospesa in superficie (cromosfera), leggera, dopo l’evento di riconnessione magnetica che la libera si espande ed accelera enormemente nella Corona inferiore (fino a raggiungere 8 milioni km/sec), con una temperatura di circa 1 milione K.

Immagine scattata con LASCO C2 (Large Angle and Spectrometric Coronagraph) montato sul satellite per l’osservazione solare – SoHo il 4 gennaio del 2002. La foto è stata colorata per evidenziare l’intensità delle emissioni: alta concentrazione di materia ed emissioni potenti (BIANCO), le zone a media intensità (ARANCIO), le zone di intensità debole (BLU). Articolo di Eleonora Ferroni, per Inafclicca per ingrandire, click to enlarge

Flare – origine reale e andamento caratteristico
Pur sembrando partire dalla superficie (fotosfera-cromosfera), in realtà l’aumento di luminosità è conseguenza della riconnessione magnetica che avviene nella Corona interna. (libro “Fisica Solare” Di Egidio Landi Degl’Innocenti)
La luminosità in aumento repentino e poi diminuzione graduale può durare da qualche minuto a qualche ora (il parossismo dura pochi secondi) in piccole regioni.

5 – velocità

FLARE
– la radiazione, energia elettromagnetica, viaggia alla velocità della luce (300.000 km/sec = 8′ per raggiungere la Terra)
– mentre le particelle ad alta energia sono accelerate ad altissime velocità (fino a 100.000 km/sec, 1/3 della velocità della luce = mezzora per raggiungerci) e vanno a costituire “fasci di vento solare” molto energetico che causa radiazione molto pericolosa…

CME
La massa di materiale impiega 1-3 giorni per raggiungerci, se siamo sulla traiettoria, viaggiando fino a oltre 2.000 km/sec, in casi rarissimi 3.000 km/sec.

6 – cosa espellono

FLARE
Scaglia verso la Terra, se essa si trova nella traiettoria nel posto sbagliato e nel momento sbagliato, quantità di radiazioni e particelle ad alta energia, facendola, come si dice in gergo tecnico, “saltare”.

fotogrammo tratto dal video NASA sulle differenze tra Cme e Flaresclicca per ingrandire, click to enlarge

CME
Enormi espulsioni di bolle di plasma come “nuvole” di particelle che trasportano energia e massa, trascinate da un intenso campo magnetico.

fotogramma tratto dal video NASA sulle differenze tra Cme e Flares

CME e FLARES “acceleratori di particelle”
Entrambi i fenomeni possono accelerare particelle cariche, tra cui elettroni e protoni, le quali rimbalzano e si fanno strada nello spazio seguendo approssimativamente le linee di campo magnetico ed infine bombardano la Terra da ogni direzione. Le più veloci di queste particelle possono colpire la Terra appena mezzora dopo un brillamento.

7 – che tipo di particelle in dettaglio

FLARE
Emissione di radiazione elettromagnetica in tutte le bande (Estremo UV, Radio, Gamma che di solito il Sole non emette) ma principalmente raggi X, + particelle cariche di energia, elettroni ma soprattutto protoni.
Le particelle accelerate finiscono nei raggi cosmici solari, noti anche come SEP (particelle solari energetiche).

Utile infografica che schematizza gli effetti solari dinamici e quelli costanti del Sole sulla Terra, e relativi tempi di arrivo. Lo schema è diviso nelle 2 componenti di – radiazione elettromagnetica (prime 3 strisce: luce bianca -componente Visiva dello spettro, emissioni raggi X, emissioni Radio) e di – particelle ad alta energia (3 strisce sottostanti la metà: particelle energetiche, tempeste magnetiche, vento solare -sappiamo però che anche dallo scontro del campo magnetico delle cme con quello del vento solare possono scaturire particelle ad alta energia che causano radiazioni ionizzanti)

CME
Espulsione di un intenso campo magnetico che trascina con sé elettroni e protoni + piccole quantità di Elio (He), Ossigeno (O) e Ferro (Fe).
Ricordo che il plasma è un gas completamente ionizzato, cioè costituito da protoni ed elettroni del tutto slegati.

Partendo da un disco solare reale (solo quello, mentre protuberanze ed anelli coronali sono rappresentazioni), elaborazione grafica di una CME che si dirige verso la Terra: si nota l’onda d’urto del campo magnetico, l’area in viola che rappresenta la magnetosfera terrestre, la radiazione solare che impatta in quest’ultima (le 3 onde ravvicinate) e pure il dettaglio delle cuspidi terrestri polari dove vengono incanalate le particelle che vanno a formare le Aurore seguendo le linee di campo magnetico . Credits: Nasaclicca per ingrandire, click to enlarge

Brillamenti – “come si vedono?” e SEP o SPE?
Solo raramente si osserva emissione in luce bianca (visibile); di solito i brillamenti si vedono soltanto nelle bande UV e X, caratteristiche dell’emissione cromosferica e coronale.
SEP – “particelle solari energetiche“, raggi cosmici solari in cui confluiscono anche i protoni dei flares.
SPE – “eventi di particelle solari“, occasionalmente eventi associati con flares o cme possono causare un aumento improvviso di flusso con possibili pericoli per la salute degli astronauti.

Luca di Fino, ricercatore, blog “Background Noise”

SUONA IL GONG PAUSA

Raggi Cosmici …non c’è mica solo il Sole…
È importante ricordare e tenere presente che “il tempo meteorologico dell’intera eliosfera non è determinato solamente dalla stella Sole, ma anche dai Raggi Cosmici conseguenza di fenomeni di alta energia che hanno luogo al di fuori del Sistema Solare, nella nostra galassia e in galassie esterne: raggi cosmici dalle Supernovae e Lampi di Raggi Gamma (GRB) da Ipernovae e Magnetar (stelle con campi magnetici eccezionali).”

Mauro Messerotti, Inaf
Nella utile infografica, dal Sole partono (OUT) CME, vento solare e Sep verso i confini della Eliosfera, mentre “entrano” (IN) raggi cosmici galattici, plasma interstellare e raggi cosmici solari anomali.

Come piacevole video di intrattenimento, tra i due round di questo scontro titanico, ti lascio con la “pioggia coronale e le cascate di plasma incandescente”.
Guardando questo bellissimo video rifletti su questo:
ogni secondo del filmato in time lapse = 6 minuti in tempo reale, quindi l’intera sequenza (1 minuto e mezzo) dura circa 10 ore.

metà luglio del 2012: successivamente ad un evento misto CME/Flare, il plasma incandescente a 50.000 K è in fase di raffreddamento e ricaduta (“pioggia coronale”). L’effetto “cascata” è dovuto al fatto che elettroni, protoni e ioni carichi elettricamente seguono le linee del campo magnetico, gli anelli coronali (tubi o corde di flusso). Sonda SDO, articolo di Eleonora Ferrari per Inaf

Per non perderti i post di questa serie:
– “In a nutshell” about Aurora – 0. Il sole
“In a nutshell” about Aurora – 1. Riconnessione Magnetica

“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
“In a nutshell” about Aurora – 3d. radiazioni
“In a nutshell” about Aurora–3e. radiazioni a confronto
“In a nutshell” about Aurora – 3f. radiazioni e ISS
“In a nutshell” about Aurora -4. Cuspidi polari

“In a nutshell” about Aurora -5. Generatore aurorale
“In a nutshell” about Aurora -6. Altitudine e forme

Link utili:
“La perdita di massa del Sole” di Fabio A. Mariuzza
“Space Weather” di Mauro Messerotti, Inaf

– In copertina “Riconnessione magnetica”, RHESSI e SDO, articolo di Eleonora Ferroni
Cme colorata, di Eleonora Ferroni, Inaf
– Libro “Fisica Solare” Di Egidio Landi Degl’Innocenti
particelle SEP, articolo del Blog “Background Noise” del ricercatore Luca di Fino
Blog “Spazio Tempo Luce Energia” di Michele Diodati
CME, di Roberto Susino, Inaf
CME/Flares, di Francesca Aloisio, Inaf

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