Meteo Spaziale e Clima Cosmico: L’Italia in Prima Linea nella Ricerca d’Avanguardia

Ciao a tutti, appassionati di stelle e misteri cosmici! Oggi voglio portarvi in un viaggio affascinante, un po’ come fare un’escursione tra le tempeste solari e le brezze interplanetarie, ma stando comodamente seduti. Parleremo di meteo spaziale e clima spaziale, due campi di ricerca che suonano quasi fantascientifici, ma che hanno un impatto incredibilmente concreto sulla nostra vita quotidiana e, soprattutto, sul futuro dell’esplorazione spaziale. E la cosa ancora più entusiasmante? L’Italia, il nostro Bel Paese, gioca un ruolo da protagonista in questa avventura scientifica!

Forse vi starete chiedendo: “Ma che roba è il meteo spaziale?”. Immaginatevi il Sole non solo come una palla di fuoco che ci scalda, ma come un motore gigantesco e un po’ capriccioso che lancia nello spazio flussi di particelle cariche (il famoso vento solare), eruzioni potentissime (i brillamenti solari) ed enormi bolle di plasma e campi magnetici (le espulsioni di massa coronale, o CME). Ecco, il meteo spaziale studia proprio questi fenomeni e come interagiscono con l’ambiente spaziale attorno alla Terra e agli altri pianeti. Il clima spaziale, invece, guarda a queste dinamiche su scale temporali più lunghe, un po’ come la differenza tra il tempo che fa oggi e il clima di una regione.

Noi della comunità scientifica italiana, riuniti sotto l’egida della SWICo (Space Weather Italian Community), siamo in prima linea. La SWICo è una fantastica associazione nata nel 2014 che mette insieme cervelli brillanti da università, enti di ricerca, industrie e agenzie. Il nostro obiettivo? Promuovere la ricerca scientifica e tecnologica italiana in tutti gli aspetti del meteo e clima spaziale: dalla fisica del Sole all’attività solare, dallo spazio interplanetario alla magnetosfera e all’alta atmosfera terrestre, passando per i raggi cosmici, il geomagnetismo, il meteo spaziale planetario, gli impatti tecnologici e biologici, e ovviamente, la strumentazione spaziale e terrestre. Pensate che abbiamo tenuto congressi importantissimi, ospitati dall’Agenzia Spaziale Italiana (ASI), per condividere i nostri ultimi risultati e fare il punto della situazione. L’ultimo, il terzo congresso SWICo, si è tenuto a Roma nel novembre 2024, un’occasione pazzesca per discutere di tutto ciò che bolle in pentola!

Il Sole: La Nostra Stella, il Nostro “Meteorologo” Cosmico

Partiamo dalla fonte di tutto: il Sole. La sua attività magnetica è la regista indiscussa del meteo spaziale. Questa attività modula un flusso costante di radiazione elettromagnetica (l’irradianza solare) e di particelle (il vento solare) nello spazio interplanetario. Ma non solo: l’attività solare fa variare anche il numero di brillamenti e di CME. Entrambi questi eventi possono accelerare particelle, le cosiddette particelle energetiche solari (SEP), a energie relativistiche, causando effetti sull’ambiente terrestre e circumterrestre. I fenomeni magnetici sul Sole seguono un ciclo di circa 11 anni, e proprio in questi anni ci stiamo avvicinando al massimo del ciclo solare 25. Se guardaste il Sole (con le dovute protezioni, mi raccomando!) vedreste un sacco di regioni brillanti sulla sua corona, segno di grande attività.

Per capire meglio questi fenomeni, abbiamo bisogno di occhi super potenti. I grandi telescopi solari terrestri, come il Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) negli Stati Uniti e, speriamo presto, l’European Solar Telescope (EST) alle Canarie (a cui l’Italia contribuisce tantissimo!), ci forniranno osservazioni ad altissima risoluzione dell’atmosfera solare. Questo ci aiuterà a svelare i processi legati all’emergenza e all’evoluzione del campo magnetico. E poi ci sono i satelliti! Il monitoraggio continuo del Sole dallo spazio, come quello effettuato dal Solar Dynamics Observatory (SDO), e i nuovi dati forniti da missioni recentissime come Solar Orbiter (SOLO) e Parker Solar Probe (PSP), ci stanno dando risposte a domande vecchie di decenni sul meccanismo dinamo solare. In particolare, le osservazioni “fuori dall’eclittica” di Solar Orbiter saranno cruciali per capire il campo magnetico alle alte latitudini solari e il mistero del riscaldamento coronale. La comunità italiana, con la sua storica esperienza nell’analisi dei dati fotosferici, ha dato contributi enormi per capire la dinamica della fotosfera solare.

Quando parliamo di fenomeni solari che influenzano il meteo spaziale, dobbiamo assolutamente citare i brillamenti solari, i buchi coronali e le CME. I venti solari ad alta velocità, che originano dai buchi coronali, possono scatenare tempeste geomagnetiche sulla Terra. È ormai chiaro che l’instabilità che scatena i brillamenti è associata al processo di riconnessione magnetica, capace di convertire l’energia immagazzinata nel campo magnetico in energia cinetica, termica ed elettromagnetica. Migliorare gli algoritmi per prevedere l’arrivo di questi “sbuffi” solari è fondamentale per proteggere le nostre infrastrutture tecnologiche. E qui l’Italia è all’avanguardia, con gruppi di ricerca che lavorano per affinare metodi di previsione basati sulla complessità del campo magnetico o sull’intelligenza artificiale.

Il Vento Solare e la Turbolenza Interplanetaria

Il vento solare è un flusso supersonico e super-Alfvénico di plasma completamente ionizzato che si espande dal Sole in tutte le direzioni. È composto principalmente da elettroni, protoni e particelle alfa, con velocità che variano tra i 300 e gli 800 km/s. Esistono due tipi principali di vento solare: uno veloce, originato dai buchi coronali, e uno lento, proveniente principalmente dalle regioni equatoriali. Una sua caratteristica peculiare è la sua natura turbolenta. Fin dalle prime missioni spaziali, ci siamo accorti che le fluttuazioni del campo magnetico e della velocità del vento solare assomigliano a quelle osservate nei fluidi turbolenti. Questo ha reso il vento solare un laboratorio naturale pazzesco per studiare la turbolenza magnetoidrodinamica (MHD). Grazie a missioni come Cluster (ESA), Magnetospheric Multiscale (MMS, NASA), PSP e SOLO, gli studi recenti si sono spinti fino alle scale ioniche e sub-ioniche, dove ci si aspetta avvenga la dissipazione di energia. Anche qui, i ricercatori italiani sono attivissimi, studiando i meccanismi di riscaldamento del vento solare e la natura delle sue fluttuazioni.

I Raggi Cosmici: Messaggeri da Lontano

La variabilità solare modula anche il flusso dei raggi cosmici galattici (GCR), particelle altamente energetiche che pervadono l’intera eliosfera e impattano l’ambiente terrestre. Si pensa che i GCR con energie superiori a circa 1 GeV provengano dall’accelerazione dovuta agli shock nelle esplosioni di supernova. Quando i GCR entrano nell’eliosfera, vengono influenzati dal campo magnetico interplanetario e dal vento solare, subendo processi come convezione, perdite di energia adiabatiche, diffusione e deriva. Questo effetto complessivo è noto come modulazione solare. Su scale temporali brevi, invece, possiamo osservare fenomeni come le diminuzioni Forbush, cali improvvisi nell’intensità dei GCR dovuti al passaggio di CME interplanetarie. Il Sole stesso può produrre raggi cosmici solari, o SEP, durante le eruzioni. Comprendere l’accelerazione e la propagazione di queste particelle è un altro campo in cui l’Italia eccelle, con contributi significativi sia teorici che osservativi, anche grazie a esperimenti come PAMELA.

Lo Scudo Terrestre: Magnetosfera, Ionosfera e Termosfera

Avvicinandoci alla Terra, incontriamo la sua magnetosfera, una regione dominata dal campo magnetico terrestre che ci scherma dal vento solare. La sua dinamica è complessa e risponde ai cambiamenti delle condizioni interplanetarie, a volte comportandosi come un sistema fuori dall’equilibrio vicino alla criticità. Manifestazioni di questa dinamica sono le tempeste magnetiche e le sottotempeste geomagnetiche. Un processo fisico fondamentale è la già citata riconnessione magnetica, studiata intensamente grazie a missioni multi-satellite come Cluster e MMS. L’Italia ha una lunga tradizione nello studio di questi fenomeni, con ricercatori dell’INGV e di altre istituzioni che analizzano dati da satelliti e da reti di magnetometri a terra, anche in Antartide!

Ancora più in basso troviamo l’alta atmosfera, che include la termosfera e la ionosfera. La ionosfera è quella porzione ionizzata dalla radiazione UV solare, cruciale perché influenza la propagazione delle onde radio e quindi le comunicazioni HF e la precisione dei sistemi GNSS (come il GPS e Galileo). Tempeste solari e particelle cosmiche possono perturbare profondamente la ionosfera. Per questo la monitoriamo costantemente con ionosonde e ricevitori GNSS. L’Italia, con l’INGV, gestisce una rete di questi strumenti e sviluppa modelli come IONORING per monitorare il contenuto elettronico totale (TEC) sopra il nostro territorio. Dati da missioni come Swarm (ESA) ci hanno permesso di studiare la natura turbolenta della ionosfera e le sue proprietà elettriche. La termosfera, a sua volta, risente molto dell’attività solare e geomagnetica, e le sue variazioni di densità sono critiche per la vita operativa dei satelliti in orbita bassa (LEO).

Oltre la Terra: il Meteo Spaziale Planetario

Il meteo spaziale non è un’esclusiva terrestre! Il Sole influenza tutti i corpi del Sistema Solare. La comunità scientifica italiana vanta una grande esperienza nel meteo spaziale planetario, partecipando a missioni incredibili. Pensate a BepiColombo (ESA/JAXA) verso Mercurio, con lo strumento SERENA a guida italiana, che studierà l’accoppiamento tra superficie, esosfera e magnetosfera del pianeta. O alla missione Juno (NASA) attorno a Giove, con lo spettrometro JIRAM, sempre a guida italiana, che mappa le aurore gioviane. E non dimentichiamo JUICE (ESA), da poco lanciata verso le lune ghiacciate di Giove, con un forte coinvolgimento italiano, che studierà anche il meteo spaziale attorno a Ganimede, l’unica luna con un suo campo magnetico!

Uno Sguardo agli Esopianeti e all’Uomo nello Spazio

Lo studio del nostro Sole e del meteo spaziale nel Sistema Solare ci aiuta anche a capire meglio gli esopianeti. Come? Beh, studiando il Sole, l’unica stella che possiamo osservare così da vicino, possiamo stimare meglio l’impatto dell’attività stellare sulle misure usate per scoprire esopianeti. Inoltre, capire come il meteo spaziale influenza le atmosfere e le magnetosfere dei nostri pianeti ci dà indizi su cosa potrebbe accadere attorno ad altre stelle. L’Italia è molto attiva in questo, con progetti come l’uso del telescopio HARPS-N al Telescopio Nazionale Galileo (TNG) per osservare il Sole come se fosse una stella lontana.

E poi c’è l’esplorazione umana dello spazio. Oltre lo scudo della magnetosfera terrestre, gli astronauti affrontano un ambiente ostile, pieno di radiazioni ionizzanti (GCR e SEP). Eventi estremi di meteo spaziale possono indurre seri problemi di salute. Capire questo ambiente e i suoi effetti è cruciale per le missioni sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS) e per i futuri viaggi sulla Luna o su Marte. Anche qui, l’Italia ha sviluppato e testato numerosi rilevatori di radiazione a bordo della MIR e della ISS.

Impatto sulle Nostre Tecnologie

Non pensate che il meteo spaziale sia solo una curiosità per scienziati! Eventi intensi possono danneggiare satelliti, disturbare le comunicazioni HF e i sistemi GPS, e persino indurre correnti elettriche nelle linee elettriche e negli oleodotti a terra, causando blackout o corrosione. Le cosiddette correnti geomagneticamente indotte (GIC) sono un bel problema, soprattutto ad alte latitudini, ma non solo. Anche le irregolarità ionosferiche possono degradare la qualità dei segnali GNSS, causando perdita di segnale e riducendo l’accuratezza del posizionamento. Persino la rete elettrica italiana, che usa il GNSS per sincronizzare i suoi dispositivi, non è immune. Insomma, capire e prevedere il meteo spaziale è fondamentale per la nostra società tecnologica.

L’Ingegno Italiano: Strumenti e Missioni

L’Italia ha una storia gloriosa nello sviluppo di strumentazione spaziale. Pensiamo ai magnetometri sulle missioni Helios, agli analizzatori di plasma come SWA su Solar Orbiter, all’esperimento PAMELA per i raggi cosmici, o ai coronografi come UVCS su SOHO e Metis su Solar Orbiter, quest’ultimo capace di fotografare la corona solare contemporaneamente in luce visibile e ultravioletta – una prima mondiale a guida italiana! E il futuro? L’ASI sta puntando molto sui CubeSat per il meteo spaziale, con missioni come HENON, SEE e CUSP. E c’è la proposta Plasma Observatory (PO) per studiare l’energizzazione del plasma nella magnetosfera terrestre.

Ma non siamo forti solo nello spazio! Anche a terra l’Italia brilla. Abbiamo una lunga tradizione nei monitor di neutroni per i raggi cosmici (come quello di Roma), nella radioastronomia solare (con lo storico radiotelescopio di Trieste e il nuovo progetto SOLARIS), nelle reti di magnetometri gestite dall’INGV (in Italia e in Antartide), e nella ricerca ionosferica. E che dire dello sviluppo di strumenti per la spettroscopia ad alta risoluzione per i telescopi solari? L’Italia è stata pioniera con strumenti come IPM e IBIS (usato anche al Dunn Solar Telescope negli USA e ora in fase di upgrade), e oggi è un partner chiave nel progetto dell’European Solar Telescope (EST), contribuendo a tecnologie come lo specchio secondario adattivo e il sistema di reiezione del calore.

Insomma, come avrete capito, la ricerca italiana nel campo del meteo e del clima spaziale è un’eccellenza riconosciuta a livello mondiale. È un campo incredibilmente interdisciplinare che richiede competenze diverse e una forte collaborazione tra istituti, università e industrie. Questo articolo è solo un assaggio dei tanti progressi fatti e delle sfide che ci aspettano. Ma una cosa è certa: l’Italia continuerà a scrutare il Sole e le sue “bizze” con passione e ingegno, per proteggere il nostro pianeta e spingere sempre più in là i confini della conoscenza umana.

Fonte: Springer