Cosa sono le tempeste solari e che rischi corriamo per le correnti parassite: le risposte del fisico
A partire dai primi mesi del 2023 la frequenza delle tempeste geomagnetiche è cresciuta in modo significativo, con un susseguirsi di allerte da parte degli enti che si occupano di meteo spaziale. Proprio nel momento in cui stiamo scrivendo, lo Space Weather Prediction Center della NOAA prevede l'impatto di una tempesta solare di classe G1 nel weekend tra sabato 13 e domenica 14 luglio 2024. A innescarla un grande buco coronale apparso nell'emisfero settentrionale dell'atmosfera della stella nei giorni scorsi. Ad aumentare, tuttavia, non è stato solo il numero di questi fenomeni, ma anche la probabilità di vederne di più intensi. Ce lo ricorda l'evento eccezionale verificatosi nella notte tra il 10 e l'11 maggio 2024, quando l'aurora boreale è comparsa anche nei cieli d'Italia. Questo fenomeno ottico, caratteristico delle alte latitudini, può manifestarsi anche a quelle più basse in concomitanza con tempeste solari particolarmente intense. Quella notte il campo magnetico della Terra fu bersagliato da un imponente flusso di vento solare scagliato da tre espulsioni di massa coronale (CME) avvenute in sequenza, che diedero vita a una tempesta geomagnetica acuta di classe G4.
Al di là del fenomeno collaterale e affascinante delle aurore polari, le tempeste solari particolarmente violente possono rappresentare un rischio concreto per infrastrutture elettriche, comunicazioni, operazioni satellitari e anche per il comportamento migratorio degli animali che sfruttano la magnetoricezione. Per comprendere meglio come mai negli ultimi tempi veniamo "bersagliati" da queste tempeste solari e quale potrebbe essere il loro impatto, Fanpage.it ha contattato il dottor Marco Casolino, Dirigente di Ricerca presso l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) sezione di Roma Tor Vergata, collaboratore del centro Ricerca del RIKEN in Giappone e divulgatore scientifico, anche sui social network e in particolar modo su YouTube. Ecco cosa ci ha raccontato.
Dottor Casolino, ci spieghi innanzitutto cosa sono le tempeste geomagnetiche o solari e perché da molti mesi continuano a susseguirsi allerte su questi fenomeni
Le tempeste geomagnetiche sono causate dall'attività solare e, dato che ci avviciniamo al massimo solare di quello che indichiamo come venticinquesimo ciclo solare, è abbastanza normale avere più tempeste che nel periodo di minimo solare. Ovviamente sono tutti processi casuali o comunque legati a processi statistici. Alla fine sono fenomeni naturali come grandi inondazioni, piogge, temporali e così via, solo che sono legati al meteo spaziale, a quello che viene chiamato “space weather”. Alcuni colleghi in realtà dicono che ci siamo già nel massimo solare. Dovremmo aspettarci ancora più tempeste geomagnetiche e poi via via dovrebbero andare a decrescere come numero e intensità, che sono comunque parametri imprevedibili. Le eruzioni solari, responsabili delle tempeste geomagnetiche, aumentano su tutta la superficie del Sole, ma solo quando sono rivolte verso il nostro pianeta possono trasformarsi in tempeste geomagnetiche vere e proprie.
Come si formano e da cosa scaturiscono?
È tutto un gioco di chi ha l'energia più alta tra le particelle cariche emesse dal Sole, cioè protoni ed elettroni, e il campo magnetico ad esse legato. Il vento solare è composto da particelle che vengono emesse continuamente dal Sole, in assenza di eruzioni solari. In condizione di tempo solare quieto viaggiano a 400 chilometri al secondo, che è tanto, ma comunque 1/750 della velocità della luce. Quando c'è una tempesta solare si arriva a velocità che possono anche superare i 1.000, 1.100 chilometri al secondo. Quindi le particelle hanno una energia cinetica superiore a quella del campo magnetico interplanetario in cui si espandono. È il bilanciamento tra l'energia del campo magnetico – che può essere quello sul Sole, nello spazio interplanetario o sulla Terra – e l'energia cinetica a determinare quello che succede. Tutta l'attività solare e il suo ciclo undecennale sono legati al campo magnetico presente sulla superficie del Sole, che viene in qualche modo distorto, aggrovigliato dalla rotazione della stella, più veloce all'equatore e più lenta verso i poli. Il Sole non è infatti un corpo solido.
Ci spieghi
Io faccio sempre l'esempio degli aerei a elastico: quando uno comincia ad arrotolare l'elica, all'inizio si arrotola normalmente, ma quando si arriva al massimo l'elastico inizia ad aggrovigliarsi. Al minimo solare il campo magnetico è come l'elastico, liscio e poco aggrovigliato, al massimo solare è molto distorto. Al minimo, inoltre, il Sole è simile a una calamita a barra con il polo nord e il polo sud: al massimo è un oggetto molto strano, con tanti poli che possono dar luogo alle eruzioni solari, in presenza delle macchie solari. La prima cosa che succede sul Sole è che l'energia cinetica della rotazione vince su quella magnetica. Al di fuori della superficie solare, il gioco è sull'energia cinetica delle particelle del vento solare contro quella del campo magnetico solare. Il campo magnetico forma dei bellissimi archi – le prominenze solari – che sono enormi, più grandi più della distanza tra la Terra e la Luna. Sono oggetti giganteschi definiti dal campo magnetico e su cui le particelle sono vincolate a muoversi. Questi archi si muovono e possono scontrarsi con altri archi con polarità inversa e liberare l'enorme quantità di energia immagazzinata nei campi magnetici. Parliamo di centinaia di migliaia di bombe nucleari equivalenti. Questo determina il fenomeno che chiamiamo brillamento. Flare in inglese. Il primo fu visto da Carrington nell'800. Era talmente luminoso da poter essere visto a occhio nudo – non guardate mai il Sole a occhio nudo! – ed era più brillante del Sole stesso.
Cosa succede a questo punto?
Questa immensa quantità di energia liberata dà una spinta enorme a tutte le particelle che stanno lì in prossimità del Sole e innescano quella che viene chiamata emissione di massa coronale. È una gigantesca bolla di materiale – anche qui campo magnetico e particelle – che si muove come un'onda nello spazio interplanetario, come una bolla emessa sott'acqua che si espande e va verso la superficie. Questa bolla di 15 milioni di chilometri, cioè un decimo della distanza tra la Terra e il Sole, è un oggetto invisibile ma misurabile e più grande del Sole stesso. Si espande nello spazio interplanetario e si muove dove vuole lei, diritta, sotto la spinta dell'energia cinetica che vince su quella magnetica. Se è emessa in direzione della Terra dà luogo alle tempeste geomagnetiche.
C'è da dire che oltre all'emissione di massa coronale, che appunto è questo enorme scarico di materiale solare nello spazio interplanetario che si verifica assieme ai flare, ci può essere anche un'accelerazione molto rapida delle particelle, quasi alla velocità della luce, che si muovono lungo la spirale di Parker. È la spirale di Archimede, come quella dell'acqua che gira lanciata da un annaffiatoio ed è quella determinata dal vento solare e dalla naturale rotazione del Sole. In questo caso è il campo magnetico che vince sull'energia cinetica delle particelle, che sono costrette a spiraleggiare e a muoversi lungo la linea di campo. In questo caso la Terra non viene colpita dritta per dritta ma sulla linea di campo che congiunge noi con il Sole. Ci sono vari fenomeni magnetici, ognuno con le sue peculiarità, ognuno con i suoi effetti. Quello che dà luogo alla tempesta geomagnetica è di solito l'espulsione di massa coronale. Immaginate di trovarvi proprio in mezzo a una gigantesca tempesta spaziale. È una tempesta perché c'è un'enorme quantità di particelle che con il proprio campo magnetico interagisce con la magnetosfera terrestre. In qualche maniera oltrepassano e distorcono lo scudo magnetico che è appunto fornito dal campo magnetico terrestre.
Le tempeste geomagnetiche possono essere più o meno violente; si spazia da quelle di classe G1 (deboli) alle G5 (estreme). Come si formano quelle più potenti?
L'intensità, come per tutti i fenomeni naturali, segue grossomodo una legge di potenza. Cioè ci sono tantissime eruzioni di bassa potenza (proprio tra il 13 e il 14 luglio ne dovrebbe arrivare una di tipo G1). Quindi più alto è il numero, minore è l'intensità dell'evento. La potenza è legata sia all'intensità dell'eruzione, quindi a quanta energia magnetica viene convogliata alle particelle (quanto è grossa e potente questa bolla interplanetaria) sia dal modo in cui colpisce la Terra, se in maniera diretta o indiretta.
La velocità del vento solare influisce sull'intensità delle tempeste solari?
Anche, ma questo fattore non influisce moltissimo. Il grosso dell'energia, sia magnetica che cinetica, è proprio legato alla densità, al numero di particelle che arriva in prossimità della Terra. Queste particelle si portano appresso il proprio campo magnetico, quindi c'è questo groviglio di campo magnetico interplanetario che è legato alle particelle che sono emesse nella bolla. Le particelle sbattono contro il nostro campo magnetico e si origina la tempesta. La magnetosfera ci scherma dalle particelle del vento solare e anche dalle particelle galattiche, extrasolari, ma non da tutte. Quando arriva la tempesta geomagnetica questo scudo deflette molte particelle, ma poi si innesca tutta una serie di meccanismi che in pratica inietta particelle soprattutto alle alte latitudini. Se ricordate, il campo magnetico del dipolo terrestre è fatto un po' a imbuto, quindi le traiettorie delle particelle che vengono da fuori del campo geomagnetico, dal Sole, vengono incanalate più facilmente verso i poli piuttosto che verso l'equatore magnetico.
È il motivo per cui le aurore – che non sono altro che queste particelle – si vedono soprattutto alle alte altitudini. Perché lì il campo magnetico è sia più debole ma soprattutto in una configurazione tale da facilitare l'ingresso delle particelle. Sono soprattutto elettroni che entrando nel campo magnetico generano correnti che eccitano le fasce più alte dell'atmosfera, azoto, ossigeno e così via, producendo le aurore. La classe di intensità delle tempeste, da G1 a G5, è in pratica data da quanto si abbassa il campo geomagnetico rispetto alle condizioni di tempo solare quieto. Più alto è il numero, più c'è una perturbazione e conseguente abbassamento del campo magnetico. Più si allargano le regioni di immissione dell'imbuto, dello scudo, maggiore è la probabilità di vedere le aurore alle basse latitudini. Come accaduto a maggio di quest'anno. Ho visto il vostro articolo di spiegazione ed era fatto molto bene.
Le tempeste solari di classe G5, di cui fa parte il famigerato evento di Carrington del 1859, possono essere particolarmente pericolose per la Terra, o meglio, per la moderna società umana, iperconnessa e ipertecnologica.
C'è da dire che, come per il riscaldamento globale, le tempeste geomagnetiche non sono pericolose per la Terra, ma appunto per noi e per la nostra società. Possono essere pericolose perché c'è sempre il palleggio tra campi magnetici e corrente. Un campo magnetico che varia induce la corrente. Queste sono le leggi di Maxwell, le leggi della luce. Del resto la luce non è altro che un campo elettrico e magnetico variabile, di intensità molto bassa, che però se ci fai il laser (o se ci guardi il Sole) può essere pericoloso anche quello. Qui abbiamo delle enormi correnti su conduttori giganteschi, grandi quanto la Terra o anche molto più della Terra, perché parliamo di scala orbitale. Quindi decine di migliaia di chilometri con correnti, soprattutto elettroni ma anche protoni, che si muovono seguendo le vie del campo magnetico. Vengono perturbati e accelerati dalla tempesta solare e quindi creano nuovi campi magnetici. Questa variazione può a sua volta indurre correnti in qualunque oggetto metallico. L'Evento di Carrington indusse forti correnti negli antichi telegrafi del Far West, che erano grandi fili percorsi dalla corrente. Ci sono rapporti di gente che prese la corrente senza alimentare il telegrafo, o di chi riusciva a farlo funzionare senza la batteria perché c'erano le correnti indotte dal fenomeno. Ora, finché parliamo di cavi di una civiltà preindustriale o comunque dell'800, è un discorso. Per le grandi centrali elettriche moderne che devono produrre energia è un altro. Le tempeste geomagnetiche possono introdurre dei disturbi, delle interferenze, correnti parassite in grado di danneggiare l'infrastruttura, come accaduto nel 1989.
Ci racconti
Ci fu una violenta espulsione di massa coronale che scatenò una tempesta geomagnetica in grado di distruggere diversi trasformatori di corrente in Canada, dove varie regioni rimasero al buio. Fu abbastanza intensa da bruciare vari di questi trasformatori, ma non abbastanza da generare un'aurora alle basse latitudini. Sono le correnti parassite indotte dalle particelle immesse nella magnetosfera a causare questi problemi. Sono anche in grado di corrodere oleodotti e gasdotti. Ci sono state varie perdite di gas e petrolio in passato legate alla corrosione perché queste infrastrutture non sono altro che grandi tubi di metallo, anch'essi soggetti alle correnti parassite che possono indurre l'elettrolisi. Ora in realtà si vi sono vari accorgimenti per proteggersi da questi effetti; i gasdotti e gli oleodotti vengono segmentati per evitare che ci siano queste grosse correnti lungo decine di migliaia di chilometri. Le linee di trasmissione di corrente delle centrali vengono a loro volta schermate, ma lì è più difficile perché comunque la corrente devi farla passare, non la puoi isolare. Quindi sono più fragili. Tutta l'infrastruttura delle telecomunicazioni è in qualche maniera a rischio.
Così come i satelliti
Uno dei punti di immissione degli elettroni del sistema solare nella geomagnetosfera è grosso modo proprio dove si trovano i satelliti in orbita geostazionaria, cioè a 36.000 chilometri di quota. I satelliti vengono sì schermati, ma se c'è un'eruzione molto grande possono essere danneggiati. Se ciò non bastasse, tutte le eruzioni solari, indipendentemente dal fatto che scatenino una nuova tempesta geomagnetica, scaldano l'atmosfera terrestre e la scaldano quel tanto che basta da farla espandere. Se aumento la temperatura di un gas questo si espande. L'alta atmosfera si innalza negli strati più esterni, più eterei, anche di 50, 100 chilometri. Questo aumenta l'attrito di tutti i satelliti e della della Stazione Spaziale Internazionale, che sono in quella che si chiama Low Earth Orbit, cioè orbita bassa terrestre, a 3-400 chilometri d'altezza. Quindi ne facilitano il rientro. Infatti alcuni satelliti Starlink di Elon Musk sono andati persi un paio di anni fa proprio perché stavano in un'orbita di 200 chilometri – erano appena stati lanciati – e quindi sono caduti. I danni alle infrastrutture possono essere molto elevati e soprattutto sono sconosciuti. Immaginiamo una G5 cinque, dieci, cento volte più potente della tempesta geomagnetica di maggio; avremmo potuto vedere dei danni oltre che l'aurora a basse latitudini molto bella.
Alcuni suoi colleghi dicono che non siamo pronti ad affrontare una tempesta geomagnetica estrema. Suggeriscono che potrebbe farci addirittura piombare in un medioevo tecnologico per settimane o addirittura mesi. Cosa ne pensa?
Sì, in pratica il rischio c'è, ma quanto è alto e quanto è imminente è difficile quantificarlo. Però è chiaro che si parla oramai da più di dieci anni di space weather, cioè di tempo spaziale. E in generale anche in contesti non necessariamente legati alla difesa, ma che comunque sono legati anche alla difesa, di quella che si chiama Space Situational Awareness, cioè della conoscenza della della situazione spaziale. Il fattore più sotto monitoraggio è proprio l'attività solare. Ora, quanto un'attività solare molto intensa possa danneggiare i nostri strumenti non è chiaro. Io tenderei a essere più ottimista e direi sì, possono esserci danni, ma non catastrofici. Nel senso che tutta internet, le reti di comunicazione e anche di energia elettrica possono sì cadere, ma sono ridondanti e per tornare nel Medioevo ce ne corre. Intendiamoci, ci possono essere anche morti e feriti, non si vuole minimizzare il rischio.
Quindi non pensa a un'apocalisse come qualcuno lascia immaginare, anche con possibili escalation militari
Intendiamoci, tutto può essere. Quando si ha a che fare con fenomeni come terremoti, eruzioni vulcaniche e inondazioni che hanno una legge di potenza, cioè che ci sono 100 eventi debolissimi, 10 deboli, 1 forte, 1 ogni 10 anni fortissimo e 1 ogni cento anni devastante, è chiaro che se ti trovi su quello estremo purtroppo un rischio c'è. L'Evento di Carrington avrebbe fatto molti danni. In realtà, è presumibile che la parte militare e di infrastrutture della difesa sia protetta. Perché si è scoperto che tutti i circuiti sono vulnerabili alle interferenze elettromagnetiche. Quando gli americani ebbero la “brillante” idea di far esplodere bombe nucleari nell'atmosfera, essenzialmente si generarono micro tempeste solari con una marea di particelle che indussero corrente in grado di danneggiare varie strumentazioni, soprattutto nella regione del Pacifico delle Hawaii. Si può citare l'esempio del fumetto del Cavaliere Oscuro di Frank Miller, in cui vengono fatte esplodere bombe nucleari su un'America alternativa, il cui impulso elettromagnetico fa piombare Gotham City nel Medioevo locale. Lì però c'era Batman a dare una mano. Ritengo che dopo aver visto questo effetto dell'impulso elettromagnetico, tutta la strumentazione militare sia stata schermata da questi effetti. Ma poi nessuno ha fatto veri esperimenti sul campo. In laboratorio chiaramente sì, ma è una cosa diversa e non è chiaro quanto saremmo protetti davanti a un evento molto intenso. Potremmo ritrovarci al buio per qualche giorno, magari senza internet – che forse è pure meglio – con dei rischi associati. Ospedali e altre infrastrutture critiche potrebbero essere colpite.
Quindi non parliamo di settimane o mesi, ma di giorni
Le previsioni sono fatte per essere smentite. Mesi mi sembra un po' forzato. Potrebbero essere mesi per le nazioni che si trovano più alle alte latitudini. Per quelle che si trovano all'equatore, deve essere una tempesta solare intensissima da poter indurre correnti parassite tali da danneggiare o distruggere le infrastrutture nella fascia equatoriale. Paradossalmente sono le nazioni del cosiddetto primo e secondo mondo a essere più vulnerabili, ma è difficile prevedere l'effetto di un evento catastrofico.
Quali sono i rischi per gli aerei in volo?
Il Concorde che volava più in alto degli aerei di linea – che viaggiano a circa 11 chilometri – aveva a bordo un rilevatore di raggi cosmici proprio per misurare gli effetti di una eventuale grossa eruzione solare, quindi talmente grande da immettere protoni nell'atmosfera in grado di esporre i passeggeri e l'equipaggio a un flusso di particelle di radiazione più intenso. Non è mai stato usato. In generale chi sta in volo è soggetto a dieci volte la radiazione che c'è a terra, però per i raggi cosmici galattici, non per quelli solari. Quelli solari in condizioni di Sole quieto e di eruzioni solari vengono schermati dall'atmosfera. Quindi l'eruzione solare non dà rischi per gli aerei in volo. La strumentazione di bordo è inoltre molto, molto robusta e molto ridondante. È in grado anche di resistere all'impatto di un fulmine, quindi io riterrei improbabile che una tempesta geomagnetica anche molto intensa possa danneggiare l'equipaggiamento degli aerei. Tra l'altro una tempesta da “fine del mondo” ci mette comunque dei giorni per arrivare sulla Terra, quindi si possono prendere tutte le precauzioni del caso fermando il traffico aereo. Un po' come accadde con le eruzioni del 2010 del vulcano islandese Eyjafjallajökull. Non è una cosa impulsiva che arriva alla velocità della luce. C'è tutto il tempo per prendere le contromisure. Se ricordate i primissimi anni non facevano usare i lettori CD perché facevano interferenza. Adesso si può accendere di tutto a bordo, perché la strumentazione è schermata. Quindi mi sentirei di dire che è improbabile che possa succedere qualcosa agli aerei in volo.
E per chi si trova nello spazio?
Per gli astronauti a bordo della Stazione Spaziale, dove lì il fattore delle radiazioni è 300 – grosso modo loro in un giorno prendono le radiazioni che noi prendiamo in un anno – non c'è mai stato nessun rischio dovuto alle eruzioni solari. Nel 2006 ci fu un'eruzione solare mentre un astronauta era impegnato in un'attività extraveicolare – che peraltro misurammo con il nostro spettrometro magnetico Pamela – ma nonostante fosse fuori gli dissero di proseguire pure perché non c'era alcun rischio. Questi eventi sono monitorati in tempo reale e in caso di evento catastrofico in stile Hollywood sono tutti pronti a tornare il più rapidamente possibile sulla Terra a bordo delle loro capsule. Il rischio per il viaggio interplanetario c'è ed è molto, molto più alto di quello sulla Terra. È un rischio piccolo rispetto a quelli legati a infrastruttura, ingegneria etc etc, ma a parità di eruzioni solari, chi sta andando verso la Luna o verso Marte è molto più soggetto a queste particelle.
