“In a nutshell” about Aurora -12b. Disturbi e danni da Flare

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Malfunzionamenti satellitari, Gps e blackout radio

rappresentazione artistica per “Galileo”, sistema di posizionamento e navigazione satellitare europeo, credit ASIclicca per ingrandire, click to enlarge

Mentre la tempesta di RADIAZIONE solare degrada le comunicazioni radio e investe il lato soleggiato della Terra di radiazioni pericolose
…e mentre la tempesta geomagnetica attiva il generatore aurorale nella coda magnetotail e i canali vorticanti delle Cuspidi polari, producendo l’Aurora
… in modo invisibile si producono tutta una serie di conseguenze più o meno gravi sia in alta che in bassa atmosfera e sulla superficie.

La battaglia mortale che l’Aurora nasconde

Le Aurore segnalano battaglie mortali lontane!
Una magia spettacolare che ti distrae da ciò che sta accadendo altrove! Quindi cos’altro sta accadendo che non puoi vedere?

L’aurora è davvero uno spettacolo da togliere il fiato e provocare emozioni profonde ed intense, e questo soprattutto se hai avuto la fortuna di assistere dal vivo.

settembre 2016, credit Jani Ylilampaclicca per ingrandire, click to enlarge

Ma tutta questa bellezza in realtà, in alcune occasioni eccezionali, nasconde anche tutta una serie di conseguenze spiacevoli in atmosfera e a terra.

una famosa scena del film “Shining“, a significare, in modo ironico e tragico, i disturbi e danni che conseguono…

Vediamo insieme quali effetti si sono prodotti e si producono, durante alcuni spettacoli di rara bellezza, tutt’intorno a te, che neanche sospetti.

dal film “Una pallottola spuntata”: “circolare, non c’è niente da vedere qui!”

Scenario realistico, basato su riscontri reali

Oggi siamo enormemente più dipendenti dalla tecnologia rispetto a decenni fa, e questo ci rende tremendamente più vulnerabili a questo tipo di evento.

le Smart-Tv sono ormai dei computer collegati alla rete web

Se oggi capitasse una coppia di esplosioni così straordinariamente sfortunata, ci metterebbe senza dubbio in ginocchio …

la disperazione di Fry nel cartone animato Futurama

… provocando danni incalcolabili …

… migliaia di vittime e tempi di ripresa che si conterebbero in anni.

la disperazione del mitico Homer Simpson

C’è anche tuttavia da dire che esistono piani di emergenza per ridurre al minimo i danni …

… e i nostri sistemi di previsione dell’attività solare migliorano costantemente grazie a telescopi sempre più sofisticati e ad un monitoraggio costante.

Mark Gibbs del MOSWOC, Met Office Space Weather Operations Center

Il Moscow è uno dei soli tre centri presidiati 24/7 da “esperti meteorologi spaziali“. Gli altri due sono entrambi negli Stati Uniti (NOAA Space Weather Prediction Center e US Air Force 557 th Weather Wing)

NOAA‘s Space Weather Prediction Center

Sappiamo ad esempio che non tutti i brillamenti sono per noi pericolosi: mentre quelli di classe A, B e C non producono conseguenze di rilievo per la Terra, bisogna invece temere quelli di classe M e X (vedi “Eventi di Carrington e di Halloween”).

brillamento di classe X , credit SDO NASAclicca per ingrandire, click to enlarge

Considera ora

… l’ipotesi del Ciclo solare al suo massimo con meteo solare in piena attività (ora siamo all’inizio del ciclo 25 che ci si aspetta però ragionevolmente “tranquillo” come il precedente 24)

minimo al 19/06/2019 e massimo al 16/04/2014, credit SDO/NASAclicca per ingrandire, click to enlarge

ma tieni presente che tempeste molto intense, in grado di far danni a volte peggiori sulla Terra, possono avvenire anche durante il ciclo solare discendente, quindi nel minimo.

siamo ormai entrati nel nuovo ciclo 25, che ci si aspetta simile al 24

Anche se Flare e Cme non sono sempre necessariamente associati, nell’ipotesi infelice che si verifichino in contemporanea

credit NASA clicca per ingrandire, click to enlarge

… (eventualità che per il nostro sistema di monitoraggio significherebbe più o meno osservare le esplosioni frontalmente a noi, come nel cerchio) …

credit NASAclicca per ingrandire, click to enlarge

di potenza titanica e “fuori scala” come accade in occasioni rarissime (Michele Diodati), e malauguratamente diretti verso la Terra

la Terra posta a confronto rispetto ad una colossale esplosione Cme+Flare, le dimensioni sono in scala – clicca per ingrandire, click to enlarge

… possiamo allora distinguere 2 fasi, e in questo post considero la prima.

1^ Fase, immediata! >>> Flare in arrivo…

Appena 8′ e 30′ dopo il flare

Tempesta di radiazione solare. Si riversa sulla Terra una doppia “pioggia“:

– in soli 8 minuti
pioggia radioattiva (raggi UV, radio, gamma ma soprattutto X “molli”)

– in appena mezzora
pioggia di protoni ad altissima energia (velocità 1/3 della luce)

Tuttavia ricorda, l’energia di quei protoni non è sufficiente per penetrare la bassa atmosfera e raggiungere la superficie.

Con quali conseguenze?

Ecco una comoda infografica schematica di ciò che vado ad elencare ora.
(Nota: delle distruzioni di reti elettriche e cavi sotterranei se ne parla a proposito delle Cme – eruzioni di massa coronale – nel prossimo episodio).

SW REDI Boot Camp, Yihua Zheng and Rebekah M. Evansclicca per ingrandire, click to enlarge

BLACKOUT delle Radiofrequenze ed INTERRUZIONE delle comunicazioni

COMPROMESSE le comunicazioni satellitari

rappresentazione artistica

e le comunicazione con gli aerei e radiocomunicazione a onde corte

Subiscono INTERRUZIONI il sistema GPS

Costellazione GPS, 24 satelliti in 6 orbite, 4 satelliti su ciascuna orbita, 20.200 km di quota – credit Peter H. Dana, GNSS

… ma ricorda che ci sono anche altre costellazioni di satelliti che servono per il posizionamento e la navigazione: il russo GLONASS, il cinese BeiDou e l’europeo Galileo

… la tv satellitare e via cavo, la radio satellitare…

… la nostra amata telefonia mobile e quella satellitare

Spesso interrotte le radio amatoriali con frequenze inferiori ai 30 Mhz

ricordi la scena dal film “Contact“? La protagonista Sparks, fin da piccola restava ore ad ascoltare alla radio se qualcuno rispondeva ai suoi appelli

MALFUNZIONANTI O FUORI USO gli impianti di comando basati sul GPS a causa dalle emissioni radio.

Blocco GPS II-A non lanciato, l’unico satellite esposto al pubblico al Museo aerospaziale di San Diego, credit Scott Ehardt clicca per ingrandire, click to enlarge

Molti voli sono posticipati (delayed) per motivi di sicurezza

I piloti in volo devono proseguire senza GPS e altri strumenti

Nelle ZONE POLARI …

Circolo Polare Artico

… vengono chiusi i corridoi aerei e deviate le rotte

… visto che gli aerei su rotte polari devono per forza utilizzare le comunicazioni radio HF in quelle regioni (non è possibile usare i satelliti in orbita equatoriale per l’angolo di elevazione troppo piccolo).

Nella regione polare, aumentano l’errore di posizionamento satellitare (cioé l’errore di lettura dei satelliti della posizione sulla Terra degli oggetti che seguono)

… e il rischio di esposizione dei passeggeri e dell’equipaggio alle radiazioni.

pericolo radiazioni

Senza GPS, sono fuori uso aerei e navi …

gli antifurto

… ma anche le auto perdono il sistema di navigazione.

La ISS (Base Spaziale Internazionale) orbita molto più in basso (400 km) rispetto ai satelliti colpiti e quindi è più al sicuro …

nella bella infografica sulla Ionosfera distingui la ISS in basso (circa 400 km), mentre i satelliti stanno su orbite basse, medie o alte, fino a 40.000 km di quota

… ma gli astronauti in E.V.A. (Extra Vehicolar Activities) devono preoccuparsi casomai delle esposizioni cumulative …

splendida immagine di EVA, credit NASAclicca per ingrandire, click to enlarge

in effetti è imperativo per la Nasa: NON si esce in questa eventualità, abbandonando la protezione delle pareti schermate della Stazione Spaziale –

Mission Control Center, credit NASA

e dei potenziali danni al DNA causati dai protoni altamente energetici che penetrano in profondità nella pelle

selfie dell’astronauta Parmitano, elaborazione di Tiziana “Tirtha” Giammettaclicca per ingrandire, click to enlarge

Stesso discorso per i passeggeri dei voli in alta quota alle latitudini polari, per cui il sistema di monitoraggio delle radiazioni è sempre attivo.

Le tempeste di radiazioni sprigionano il massimo della loro potenza nella prima ora e poi si attenuano, ma possono durare per ore o persino giorni.

Prima di concludere, resisti, brevi approfondimenti (zoom)

sulle “anomalie” che interessano i satelliti.

rappresentazione artistica – clicca per ingrandire, click to enlarge

Molte componenti dell’ambiente spaziale hanno effetti dannosi sui satelliti:

  • quelle a BASSA ENERGIA (fotoni UV, IR, Radio e particelle) interagiscono con la superficie del satellite (celle solari ed antenne)
dall’arcobaleno (area luce visibile) verso sinistra click to enlarge
  • quelle a più ALTA ENERGIA (fotoni X, gamma e particelle), rappresentano un pericolo per gli astronauti e possono penetrare all’interno del satellite
le radiazioni ionizzanti a destra, in parte però anche i raggi UV


Grazie all’ottima tesi di laurea della fisica Elena Orlando, posso accennare ad alcune affascinanti anomalie:
Charging = carica superficiale, effetto fotoelettrico (fotoni UV)
Single Event Upsets = disturbi da singolo evento (protoni solari)
Spacecraft Drag = “trascinamento/rallentamento” dell’orbita a causa del maggiore attrito atmosferico (raggi UV)

credit fisica Elena Orlandoclicca per ingrandire, click to enlarge

Zoom 1: anomalie satellitari – “Charging

Causa: fotoni UVeffetto fotoelettrico – “superfici cariche”

Danni: superficiali e alla lunga sull’elettronica

Fotoni creano una diversa carica elettrica sulle superfici illuminate e su quelle in ombra …

… e i raggi UV (ultravioletti) inducono reazioni chimiche che modificano le proprietà termiche del satellite e degradano le celle solari.

pericolo radiazioni Ultraviolette UV

Quindi: le superfici cariche non causano problemi immediati al satellite, MA scariche elettriche risultanti da differenze di carica…

possono danneggiare la superficie dei materiali e creare interferenze elettromagnetiche che possono rovinare i sistemi elettronici.

Infatti, prendendo a prestito una utile infografica della Nasa riguardante una ricerca sulle scariche elettriche sulla Luna: “una sufficiente ricarica superficiale causa scintille

credit NASA Goddard

Zoom 2: anomalie satellitari – “Single Event Upsets”

Causa: protoni solari ad alta energia – “disturbi da singolo evento”

Danni: sovraccarichi, corto circuito

Le particelle cariche (protoni) che penetrano in profondità nei sofisticati apparati elettronici dei satelliti artificiali in orbita …

ILS, modulo di posizionamento GPS per Arduino

causano sovraccarichi di tensione e possibili danni ai circuiti, da cui conseguono malfunzionamenti e anomalie fino al corto circuito.

Zoom 3: degradazione comunicazioni radio in alta frequenza HF e GPS

Causa: protoni solari – filtro di “elettroni liberi

Danni: disturbi ionosferici della “degradazione” e “scintillazione”

Gli stessi protoni ad alta energia sono anche i responsabili dei disturbi ionosferici detti “degradazione” e “scintillazione“, che influenzano le comunicazioni radio HF e le trasmissioni in riflessione …

Ionosfera quieta e disturbata, INGV Lucilla Alfonsi

… e che sono il principale fattore che causa errori nel posizionamento dei satelliti per la navigazione con GPS.

I protoni ad alta energia ionizzano atomi e molecole nell’alta atmosfera

la Ionosfera si estende dall’alta mesosfera fino all’esosfera

… provocando l’emissione di grandi quantità di elettroni liberi che formano una specie di “filtro” alla base della Ionosfera, il quale causa deviazioni e rallentamenti nei segnali.

Tali elettroni liberi, quando la ionosfera è disturbata si distribuiscono in modo non omogeneo in zone a più alta e più bassa densità elettronica, e ciò è causa della “scintillazione“.

Questo provoca fluttuazioni rapide dell’intensità dei segnali GPS registrati dal ricevitore a terra.

Antenna installata presso la Stazione Mario Zucchelli (Antartide): rete di ricevitori GISTM (“GPS Ionospheric Scintillation and TEC Monitors”), informazioni in tempo reale sulle scintillazioni ionosferiche (progetto ISACCO) – credit INGV

La ionosfera può quindi presentare irregolarità di densità elettronica che possono causare diffrazione e dispersione dei segnali radio che la attraversano.

scintillazioni ionosferiche“, credit INGV sezione Roma 2

Tale filtro assorbendo le trasmissioni radio in alta frequenza le degrada provocando anche BLACKOUT RADIO.

Zoom 4: orbite satelliti a rischio – “spacecraft drag

Causa: raggi UV e densità atmosferica – “attrito satellitare”

Danni: trascinamento dell’orbita verso il basso, maggiore attrito, distruzione satellite

Raggi X ed UV impattano sulla densità dello strato atmosferico dove orbitano i satelliti. Gli UV colpiscono violentemente la Ionosfera e questa riscaldandosi si espande verso l’alto.

Mentre i satelliti stanno orbitando, gli strati di aria rarefatta più calda si alzano e così, in poco tempo, tali satelliti a circa 1.000 km di altezza si trovano in realtà ad orbitare in uno strato che è più denso perché stava sotto.

le diverse densità degli strati, mano a mano che si scende la rarefazione diminuisce (in rosso la temperatura)

Questo aumento di densità comporta maggiore attrito e lentamente modifica l’orbita gravitazionale: in pratica la maggiore densità tende a “trascinare giù” il satellite con il rischio di farlo bruciare, se non si effettuano correzioni.

rappresentazione artistica del rientro distruttivo dell’ATV-5, veicolo per i riformimenti alla ISS – credit ESA-D. Ducros, 2014

“Space Risk”: radiazioni e voli transpolari

Alle altitudini a cui volano gli aerei di linea (9-12.000 metri)

… il numero di protoni solari sui Poli è il doppio del loro numero sull’equatore, e aumentano con l’approssimarsi del picco del ciclo solare.

“Space Risk”, rischi da radiazioni – credit ESA

Il cancro può essere provocato 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.

Ionizzazione e l’elettrone espulso dall’atomocredit dottoressa Ballardini, UniCa

Però può succedere anche quando i protoni colpiscono un atomo dell’aria o delle pareti dell’aereo

radioattività espressa in microSievert all’ora

liberando un neutrone il quale può colpire i tessuti e danneggiare le cellule (Abatianni). Per questo il monitoraggio di questo aspetto è costante da parte delle compagnie aeree!

Missioni Apollo: scampata per un pelo!

il simpatico monello protagonista di “Mamma ho perso l’aereo”
  • Apollo 12
    gli astronauti camminarono sulla Luna solo poche settimane dopo un enorme flare i cui protoni li avrebbero investiti con una raffica di radiazioni particellari da 100 rem
dal libro “Luna” di Michael Light, credit archivio NASA clicca per ingrandire, click to enlarge

Un uomo può assorbire fino a 50 Rem, ma nell’arco di un intero anno!

  • tra Apollo 16 e Apollo 17
    un enorme flare avrebbe ucciso in pochi minuti gli astronauti in passeggiata lunare, con un’incredibile vampata di radiazioni particellari da 700 rem
dal libro “Luna” di Michael Light, credit archivio NASA clicca per ingrandire, click to enlarge

La dose mortale giornaliera è 500 rem!

4 novembre 2003: evento di “Halloween”, X45

Tra il 19 ottobre e il 7 novembre 2003, con picco al 31 ottobre, si sussegue una serie di 17 esplosioni solari eccezionali avvenute durante la fase discendente del ciclo solare.

28 ottobre del 2003 alle 11:12 (Greenwich) – Credit NASA/SOHO

Interrompe completamente le comunicazioni satellitari e danneggia i segnali GPS per circa 10 minuti: è talmente potente da danneggiare la strumentazione scientifica a bordo del satellite GOES 13 in orbita per rilevare i raggi X solari.

Ti sei divertito/a? Credi che quanto raccontato fino a qui sia davvero inquietante? Ti posso assicurare che il peggio deve ancora arrivare! Basta aspettare altre 20 ore circa…
Non perderti i prossimi due post sulle Cme e su una simulazione ai nostri giorni. Ti lascio con questa infografica utilissima per verificare quanto hai appreso e per anticipare il prossimo post. Ciao!

Meteo Spaziale in rapporto alle infrastrutture sociali, credit NICTclicca per ingrandire, click to enlarge

Gli altri post della serie “In a nutshell” about Aurora:
– “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 – 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
“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 -12c. Disturbi e danni da Cme
“In a nutshell” about Aurora -12d. Simulazione SuperTempesta solare OGGI
“In Nutshell” about Aurora -13a. Ambiente spaziale interplanetario
“In Nutshell” about Aurora -13b. Aurore extraterrestri
“In Nutshell” about Aurora -13c. Aurore extraterrestri ed extrasolari

Link utili:
– Il campo magnetico della Terra: “la silenziosa minaccia delle tempeste solari“, della Professoressa Anna M. Abatianni
Space Weather Forecast Center
– Met Office Space Weather Operations Center – MOSWOC, Space Weather, Blog del team di Met Office
NOAA’s Space Weather Prediction Center
Docenti.unina.it, GNSS Global Navigation Satellite Systems, GPS Global Positioning System
– Università degli Studi di Trieste, “Atmocube: analisi di un satellite per lo studio dell’atmosfera terrestre“, Tesi di Laurea in Fisica di Elena Orlando
– “Il Gps non funziona!” di Lucilla Alfonsi per INGV Istituto Nazionale Geofisica e Vulcanologia
Scintillazioni ionosferiche, INGV
– “Interazioni delle radiazioni con la materia“, Università degli Studi di Cagliari, dottoressa Bernardini
– “Tempeste di Halloween“, INGV

video NASA confronti tra Cme e Flares
– “Giorni di Tempeste Geomagnetiche“, Spazio Tempo Luce Energia, di Michele Diodati

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