Meteorologia spaziale: previsioni per le fasce di Van Allen

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Credit: JHU/APL, NASA

Utilizzando i dati provenienti dalle due sonde gemelle Van Allen della NASA, i ricercatori hanno testato e migliorato un nuovo modello previsionale per un ambiente carico di radiazioni come quello vicino alla Terra, le cosiddette fasce di Van Allen, un luogo ribollente di particelle in rapido movimento.

Quando le due ciambelle giganti di radiazioni che circondano il nostro pianeta, tra l'orbita geostazionaria (l'orbita dei satelliti per telecomunicazioni) e l’orbita bassa (l'orbita della ISS, Stazione Spaziale Internazionale), si gonfiano, gli elettroni accelerano fino al 99 per cento della velocità della luce.

Le fasce di Van Allen intrappolano e scambiano plasma con lo spazio esterno, senza che questo raggiunga la Terra.
Sono considerate divise in due zone, anzi in tre.
La più interna è costituita essenzialmente da protoni ad alta energia ed è abbastanza stabile mentre, la fascia esterna è più complessa e variabile. E' formata, per la maggior parte, da elettroni e risente particolarmente degli influssi legati agli eventi solari. La terza, invece, è stata scoperta recentemente grazie ad una fortunata coincidenza, pochi giorni dopo il lancio delle sonde gemelle.

La zona è particolarmente critica e i satelliti in orbita possono risentire delle particelle ad alta energia. Così, uno degli obiettivi degli astrofisici è quello di creare un modello previsionale di meteorologia spaziale.

Ora, due diversi gruppi di ricerca hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Geophysical Research Letters, combinando i nuovi dati provenienti dalle sonde Van Allen con un sofisticato modello computerizzato.

"Le sonde Van Allen stanno raccogliendo grandi misure ma non possono dirci ciò che sta accadendo in tutto il mondo allo stesso tempo", spiega Geoff Reeves, scienziato del Los Alamos National Laboratory, o LANL, a Los Alamos, Nuovo Messico, co-autore su entrambi i documenti.

Prima del loro lancio, non esistevano veicoli spaziali progettati per raccogliere in tempo reale le informazioni nelle fasce e il modello tridimensionale chiamato DREAM3D (Dynamic Radiation Environment Assimilation Model in 3 Dimensions), creato dagli scienziati del LANL, si basava esclusivamente su dati storici, in particolare quelli raccolti nei primi anni '90 dal satellite Combined Release and Radiation Effects, o CRRES, lanciato nel 1990 nell’orbita geostazionaria per studiare il plasma e le particelle di energia nella magnetosfera della Terra. Un po' poco per fare previsioni!

Le due sonde Van Allen hanno perciò rappresentato un importante passo in avanti verso la raccolta di informazioni nelle fasce di radiazione, ma non hanno la capacità di osservare contemporaneamente gli eventi in tutto il mondo. Così, gli scienziati hanno utilizzato i dati raccolti per costruire simulazioni computerizzate in grado di riempire i vuoti.

Il primo documento descrive una tecnica per raccogliere misure globali in tempo reale delle onde coro, fenomeno elettromagnetico causato da onde radio naturali a bassissima frequenza (tra 0 e 10 KHz), responsabili della formazione degli elettroni relativistici.
Il team ha confrontato i dati rilevati dalle sonde Van Allen sul comportamento ondulatorio del coro, con i dati provenienti dai satelliti POES (Polar-orbiting Operational Environmental Satellites) che volano a bassa quota, sotto le cinture. Utilizzando questi valori, ed alcuni altri riferimenti storici, hanno correlato gli elettroni a bassa energia che cadono fuori dalle fasce con ciò che accade al loro interno.

"Una volta stabilito il rapporto tra le onde del coro e gli elettroni precipitati, possiamo usare la costellazione dei satelliti POES per determinare il numero di elettroni", ha detto Yue Chen, ricercatore del Los Alamos e autore del documento. "Combinando questi dati con le misurazioni delle onde da un singolo satellite, possiamo intuire cosa sta accadendo con il coro in tutta la cintura".

Il secondo documento descrive come migliorare il modello DREAM3D con i dati delle onde coro rilevati dalle sonde Van Allen e da ACE (Advanced Composition Explorer), che misura le particelle del vento solare.
Come verifica, i ricercatori del laboratorio di Los Almos hanno comparato le simulazioni di modelli precedenti con una particolare tempesta solare di ottobre 2012.

"Questa è stata una tempesta notevole e dinamica", spiega l'autrice dello studio Weichao Tu.
"L'attività ha raggiunto per due volte il picco nel corso della tempesta. La prima volta gli elettroni veloci sono stati completamente spazzati via, la seconda volta molti elettroni sono stati accelerati notevolmente. C'erano mille volte più elettroni ad alta energia in poche ore".
Tu e il suo team hanno utilizzato il modello tridimensionale DREAM3D con le informazioni sulle onde del coro, includendo le osservazioni delle sonde Van Allen e di ACE, scoprendo che la loro simulazione al computer aveva ricreato piuttosto fedelmente una situazione analoga a quella della tempesta di ottobre 2012.
Il modello ha anche contribuito a spiegare i diversi effetti dei vari picchi: durante il primo c’erano semplicemente meno elettroni da poter accelerare ma, durante i primi istanti della tempesta, il vento solare aveva incanalato elettroni nelle fasce, tanto che, durante il secondo picco, gli elettroni da accelerare erano molti di più.