“In a nutshell” about Aurora–3d. radiazioni

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Elettromagnetiche e particellari: Space Risks

Bene, questo è un campo assai delicato e complesso che richiede, per essere ben sviluppato, competenze tecniche precise e io non sono un esperto tecnico di radiazioni.

Eviterò quindi di divulgare informazioni parziali e discutibili e mi limiterò a una visione generale senza entrare troppo nello specifico (perché ce ne sarebbe…), per poter dare un quadro che si integri con gli altri tre episodi di questa parentesi su Magnetosfera e Fasce di Van Allen (Sole e Meteo Spaziale, Riconnessione magnetica, Flares e Cme), poiché ciò che mi preme è arrivare finalmente alla spettacolare Aurora.

l’astronauta Luca Parmitano si è fatto questo selfie il 25 gennaio 2020, credits ESA Flickr, elaborazione di Tiziana “Tirtha” Giammetta clicca per ingrandire, click to enlarge

“Radiazioni”, che gran confusione

Tra i tanti argomenti fonte di confusione nei non esperti, c’è anche quello di queste benedette radiazioni: un termine vago che da solo non spiega un bel niente.

Per iniziare è importante dire che la radioattività è un fenomeno naturale. Qualsiasi cosa sulla Terra, inclusi i nostri corpi, contiene una certa percentuale di elementi radioattivi.

Radiazione di fondo” è chiamata la radiazione ionizzante naturale sulla Terra, le cui principali fonti sono i raggi cosmici e il decadimento degli isotopi radioattivi.

Innanzitutto, quante radiazioni ci “colpiscono” quotidianamente sulla Terra?

Siamo attraversati in ogni momento dallo sciame secondario di Raggi cosmici sulla superficie della Terra…

…oltre che da particelle solari..


Le particelle dei raggi cosmici attraversano i nostri corpi a centinaia ogni secondo…

Addirittura il nostro stesso corpo emana radiazioni Infrarosse; la Terra stessa emana radiazioni, dalle rocce e dal sottosuolo (telluriche).

credits NASA

Non si trovano quindi solo dove si fanno le lastre o nelle centrali nucleari o nelle Fasce di Van Allen

La pericolosità, al di là del tipo di radiazione e della quantità, sta nel tempo di esposizione.

In qualunque luogo della Terra, noi riceviamo una dose quotidiana di radiazione ambientale che arriva fino a massimo 360 millirem ALL’ANNO (4-5 radiografie toraciche, 3.6 milliSievert), ed è indipendente dalla nostra volontà.

Sulla Terra esiste ovunque il fenomeno della radioattività naturale che causa in media un’esposizione di 2,4 mSv L’ANNO (3,3 mSv per l’Italia; 6,2 per gli USA; mSv sono milliSievert – Marco Zambianchi)

Rem e MilliSievert! Qualche riferimento.

REM = Roentgen Equivalent Man (si usa solo per radiazioni X e gamma)
mSv = milliSieverts (dose biologica equivalente, dice non solo quante radiazioni una persona ha ricevuto, ma anche quanto danno quel particolare tipo di radiazione può infliggere M. Zambianchi)

  • radioattività naturale annua sulla Terra:
    Italia 3,3 mSv (4-5 radiografie toraciche)

    — USA 6,2 mSv
  • irraggiamento durante 3 radiografie al petto 1 mSv
  • irraggiamento durante 1 singola radiografia al petto 0,01 REM
  • dose giornaliera mortale = 500 REM = 5 Sv (sievert)
  • un uomo in 1 anno può assorbire fino a 50 REM

Chiaramente la radiazione ionizzante viene anche prodotta artificialmente usando tubi a raggi X, acceleratori di particelle, e uno qualsiasi dei vari metodi con i quali vengono prodotti artificialmente i radioisotopi. (Simona Romaniello)

acceleratore del CERN

Cos’è una radiazione?

È semplicemente l’energia emessa da una sostanza o un corpo sotto forma di:

  • onde (energia ondulatoria)
  • corpuscoli (energia corpuscolare, associata all’emissione di particelle alfa o beta)

La radioattività è il fenomeno per cui alcuni nuclei instabili si trasformano spontaneamente in altri, emettendo particelle (INFN Gran Sasso).

Qualunque corpo con una temperatura > allo Zero assoluto emette ad esempio radiazione Infrarossa IR.

Altro sinonimo di radioattività? Il decadimento radioattivo dei “radioisotopi(o radionuclìdi)

I “radioisotopi” o “isotopi radioattivi” sono dei nuclei atomici instabili (cioè con troppi protoni e/o neutroni – alcuni isotopi naturali e quasi tutti quelli artificiali sono instabili)…

il radioisotopo Plutonio-238 si trasforma/decade nel radioisotopo Uranio-234, più piccolo, emettendo radiazione alfa (nucleo di Elio, 2 protoni+ e 2 neutroni)

che decadono/si decompongono emettendo energia sottoforma di radiazioni (alfa, beta, gamma), per poter raggiungere uno stato “stabile” trasformandosi, in uno o più passaggi, in altri isotopi.

il radioisotopo cobalto-60 si trasforma/decade nel radioisotopo Nichel-60, emettendo radiazione beta (un elettrone-) e di conseguenza gamma

Il tempo medio (“vita media”) di tali trasformazioni può essere estremamente breve o estremamente lungo, variando da frazioni di secondo a miliardi di anni (potassio-40 ha vita media 1,8 miliardi di anni)

In ogni caso, tutti gli elementi della Tavola Periodica che hanno un numero superiore ad 84 sono estremamente radioattivi.

Quindi sono 2 i tipi di radiazione!

Radiazione elettromagnetica è radiazione “ondulatoria” relativa a campi elettromagnetici che si propagano nello spazio.

Radiazione particellare è radiazione “corpuscolare” dovuta alle collisioni di particelle ad alta energia con altre particelle o corpi neutri (come succede ad esempio nelle eruzioni di massa coronale).

Riccardo Paramatti, “Rivelatori di Particelle”, Università Sapienza e INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Masterclass 2018

Non tutta la radiazione è letale: “quando” una radiazione diventa pericolosa?

Dipende dall’energia che essa veicola. Radio, Microonde, Infrarossi, luce Visibile e la componente UV-A NON sono radiazioni ionizzanti

NON-ionizing Radiations

Parentesi flash Smartphone:
le radiazioni a radiofrequenze (RFR), che comprendono le onde radio e le microonde, corrispondono a 30 kHz – 300 GHz dello spettro elettromagnetico. Esse hanno sufficiente energia per spostare gli atomi in una molecola, ma NON abbastanza per ionizzarli (ovvero per dividere gli elettroni).

Queste radiazioni hanno come conseguenza più evidente il riscaldamento dei tessuti corporei, se a contatto per tempi sufficienti con il corpo, e sono oggetto di attenta e costante ricerca per eventuali effetti negativi sull’organismo umano, di cui ancora non esistono riscontri.

La radiazione diventa pericolosa e letale quando è ionizzante!

La radiazione ionizzante è la radiazione che trasporta abbastanza energia da liberare elettroni da atomi o molecole, ionizzandoli. Elevata energia che produce o facilita la ionizzazione, la quale strappa o aggiunge elettroni agli atomi o molecole, causando danni ai tessuti biologici.

Ionizing Radiation

Ionizzazione è la generazione di 1 o più ioni, grazie alla rimozione o addizione di elettroni da una entità molecolare neutra (atomo o molecola). Ciò avviene per collisione tra particelle (radiazione corpuscolare) o per assorbimento di radiazioni ondulatorie.

Le radiazioni ionizzanti producono effetti/danni sull’individuo (Space Risks) sia:

  • direttamente/immediatamente, colpendo la cellula, ad esempio con lesioni della cute, dell’apparato digerente, alterazioni delle cellule del sangue
  • indirettamente, ionizzando l’acqua, la quale a sua volta genera dei radicali liberi che attaccano il bersaglio cellulare; effetti tardivi come tumori, ereditari come sterilità, da irradiazione dell’embrione e del feto con malformazioni
    (Ufficio scolastico per la Lombardia, Brescia)

Da cosa è causata la ionizzazione?

Esistono molte cause di ionizzazione, tra le quali, oltre a quelle chimiche, appunto:

  • interazione con radiazioni elettromagnetiche (assorbimento di radiazioni visibile, UV, X, Gamma, che sono le componenti ionizzanti)
  • urto con particelle cariche (elettroni, ioni, nuclei atomici, collisioni nucleari, radiazione corpuscolare)
  • agitazione termica (elevato innalzamento delle temperature,come avviene nelle stelle, nei laboratori di fisica o nell’industria: come idea si parla di plasmi freddi, quelli che raggiungono temperature tra 500 e 800°C, mentre i plasmi caldi intorno ai 10.000°C)

Per capirci, il caso più diffuso ed universale di ionizzazione è il plasma, il 4° stato della materia, dovunque presente nel Cosmo…

gas ionizzato costituito da protoni + (ioni) ed elettroni – slegati tra loro e che si muovono a velocità pazzesche, e globalmente neutro (la carica elettrica totale è nulla).

Dicevo, 2 sono i tipi di radiazioni:

quelle elettromagnetiche

che sono onde di varia lunghezza e intensità, differenziate nello spettro in:
Radio (che consentono le telecomunicazioni in generale)
Microonde (che consentono le comunicazioni satellitari)
InfraRossi (la componente termica che ha anche varie applicazioni tecniche)
Luce Visibile (la sezione più minuscola, grazie alla quale “vediamo” il mondo)
UltraVioletti (la componente meno dannosa – UVA – è quella che ci “abbronza” la pelle, ma con le dovute precauzioni)

A partire dalle UV-B fino alle Gamma si tratta di radiazioni ionizzanti quindi nocive alla salute per l’alto potere penetrante.

Ionizzante a destra arancione, non-ionizzante a sinistra gialla

UltraVioletti (le componenti più pericolose e ionizzanti – UVB, UVC – sono usate in medicina, nella ricerca, nell’industria manufatturiera e nell’edilizia, sempre con adeguate protezioni)
X (raggi ionizzanti usati in medicina, nella ricerca, nell’industria manufatturiera e nell’edilizia, sempre con adeguate protezioni)
Gamma (raggi ionizzanti usati in medicina,nella ricerca, nell’industria manufatturiera e nell’edilizia, sempre con adeguate protezioni)

Raggi X e Gamma usati ad esempio in medicina

– quelle particellari

cioè una gamma differenziata di particelle corpuscolari ad alta energia che provocano radiazioni nell’avvicinamento

…o scontro/collisione con altre particelle.

Da alcuni di questi scontri deriva un fenomeno che è assai famoso, scopo di questa serie di post.

credit Winiarczyk Maciej clicca per ingrandire, click to enlarge

Dirai tu a questo punto: “vabbè, cosa vuoi che facciano qualche milione di queste particelle che tra l’altro sono pure invisibili e impalpabili…!”

Qualche esempio particolare e meno conosciuto di queste radiazioni:

  • i raggi UV provenienti dal Sole (radiazioni solari)
  • la radiazione tellurica del gas Radon (prodotto dal decadimento dell’Uranio-238 e del Torio-232, che si trovano in moltissimi materiali, soprattutto nelle rocce)
  • poco conosciuti i “muoni” , raggi gamma provenienti dal Sole
  • poche persone hanno sentito parlare di radiazioni telluriche generate direttamente dal terreno come:
    • il Radio-226
    • il Polonio-210 (decadimenti di Uranio e Torio)
    • lo Stronzio-87
    • il Cesio-133
    • e il Potassio-40 (presente nel nostro corpo e in generale nella materia biologica, nei cibi, nella crosta terrestre e nell’acqua di mare. Per esempio, nel corpo umano si hanno circa 5.000 decadimenti di 40K al secondo)
      (UTC e LNGS)

… e una segnalazione eloquente per risponderti:

La radioattività conseguente al decadimento dell’Uranio-238 e del Torio-232 , presenti nel mantello terrestre spesso quasi 3.000 km, su cui poggia la sottile crosta che noi calpestiamo, è molto probabilmente la responsabile di buona parte del calore sprigionato dalle viscere della Terra e quindi dell’energia che alimenta vulcani, terremoti e il campo magnetico terrestre.

La radioattività responsabile del calore interno della Terra, INFN

Radiazioni particellari: di che tipo di particelle si tratta?

Le particelle subatomiche (più piccole dell’atomo) ionizzanti più comuni comprendono:

  • le particelle alfa (nuclei di Elio) – α
  • le particelle beta (elettroni-) – β
  • i neutroni (neutroni liberi) n

Nell’immagine sopra c’è la radiazione Gamma – γ, il fotone, che è un’onda elettromagnetica:
– è priva di carica elettrica e ha natura ondulatoria come la luce
– nei decadimenti alfa e beta il nucleo di partenza si trasforma in altro nucleo più stabile e nel farlo emette particelle.
– nel decadimento gamma, invece, il nucleo non si trasforma, bensì passa semplicemente in uno stato di energia inferiore ed emette un fotone. questo decadimento o radiazione di solito accompagna una radiazione alfa o una beta (INFN).

Qual è il loro potere penetrante?

  • radiazione o decadimento ALFA (nuclei di Elio), basso:
    può essere infatti bloccata da pochi cm di aria o da un foglio di carta o una mano
  • radiazione o decadimento BETA (elettroni -), medio:
    percorre qualche metro nell’aria; può essere bloccata da un foglio di alluminio o da un grosso pezzo di legno
  • radiazione o decadimento GAMMA (fotoni ad alta energia), alto:
    può arrivare a centinai a di metri nell’aria, in base all’energia; per bloccare questa radiazione particellare occorrono diversi centimetri di piombo oppure innovativi sistemi di radioprotezione
  • radiazione di NEUTRONI (n) costituiti da neutroni liberi:
    è bloccata da elementi leggeri, come l’idrogeno, che li rallenta e/o li cattura, così come un forte spessore di cemento, acqua o paraffina
Fonte Wikipedia

Ci sono poi anche i raggi cosmici galattici che consistono in nuclei carichi energetici come protoni +, nuclei di elio, e ioni.

Altre particelle subatomiche ionizzanti che esistono naturalmente sono:

  • i muoni μ
  • i mesoniη
  • i positronie+
  • e ulteriori particelle che costituiscono i raggi cosmici secondari, quelli che si ottengono dopo lo scontro dei raggi cosmici con l’atmosfera.

In che modo sono pericolose queste particelle energetiche? Space Risks

Le radiazioni spaziali passano attraverso la materia e penetrano nel corpo umano. Le particelle energetiche colpiscono i tessuti viventi, compromettendo la normale funzione delle cellule e persino uccidendole. Il danno da radiazioni al corpo umano si estende a: cervello, cuore e sistema nervoso centrale.

credits ESA

Malattie degenerative come cancro e tumori possono essere provocate quando i protoni solari ultraenergetici colpiscono i tessuti del corpo umano con tale violenza che un elettrone può essere espulso da un atomo di una cellula, disintegrando la cellula.

Spero che anche questo episodio ti abbia affascinato, fa infatti parte di una serie i cui riferimenti trovi qui sotto, che serve a dare un quadro panoramico per comprendere meglio il fenomeno fantastico e mozzafiato delle Aurore.
Arrivederci al prossimo, a breve.

Gli altri link di questa viaggio verso le Aurore:
“In a nutshell” about Aurora – 0. Il Sole
“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
“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
“In a nutshell” about Aurora – 7a. Colori, l’origine

“In a nutshell” about Aurora -7b. Colori, la magia
“In a nutshell” about Aurora -8. luminosità, movimento e calore
“In a nutshell” about Aurora -9. Curiosità
“In a nutshell” about Aurora -10. Suoni
In a nutshell” about Aurora -11. Emozioni e considerazioni
“In a nutshell” about Aurora -12a. Tempeste solari
“In a nutshell” about Aurora -12b. Disturbi e danni da Flare

Link utili:
Radioattività terrestre responsabile del calore interno della Terra, INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Radioattività, INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso LNGS
le Radiazioni, di Marco Zambianchi
Radiazioni e Fasce di Van Allen, di Simona Romaniello
Rischi fisici delle radiazioni, Ufficio scolastico per la Lombardia, Brescia
effetti immediati e posticipati sul corpo umano
Rischi spaziali, ESA
Radiazioni naturali, Unione Tutela Consumatori
CERN Consiglio Europeo per la Ricerca Nucleare

– “Rivelatori di Particelle”, lezione a slide di Riccardo Paramatti, Università Sapienza e INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Masterclass 2018

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