SIMULAZIONI MAGNETO-IDRODINAMICHE PREDICONO L'ARRIVO DI TEMPESTE SOLARI

Che tempo spaziale che fa

In soli 30 minuti, uno dei sistemi di calcolo più veloci al mondo è riuscito a simulare la propagazione di una espulsione di massa coronale fino alla Terra, e ad abbinare l'ora di arrivo della tempesta geomagnetica ai parametri del plasma con molta accuratezza. Un risultato notevole per le previsioni nel campo del meteo spaziale. Tutti i dettagli su Space Weather

     08/06/2021
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Schema del sistema Sole-Terra e del flusso di particelle e fotoni che determinano il tempo meteorologico dello spazio. Crediti: Nasa’s Goddard Space Flight Center.

La superficie della nostra stella ribolle di energia e frequentemente espelle masse di plasma altamente magnetizzato con i brillamenti solari e le espulsioni di massa coronale. A volte tali fenomeni sono talmente potenti da raggiungere la Terra e schiantarsi contro la  magnetosfera, lo scudo magnetico naturale del nostro pianeta, innescando tempeste geomagnetiche che possono danneggiare i satelliti e mettere fuori uso le comunicazioni e le reti elettriche.

Lo space weathermeteorologia spaziale, in italiano – è una disciplina scientifica che si occupa di fare previsioni che riguardano i cambiamenti delle condizioni meteo nello spazio astronomico in conseguenza dell’attività solare.

Gli astronomi hanno studiato per secoli l’attività del Sole acquisendone una comprensione via via sempre maggiore. Oggi, insieme alle missioni spaziali e ai satelliti per l’osservazione del Sole, anche i computer e le simulazioni sono al centro della ricerca per comprendere ancora meglio il comportamento della nostra stella e il suo ruolo negli eventi meteorologici spaziali.

Negli Usa, con la promulgazione nel 2020 della legge Proswift (Promoting Research and Observations of Space Weather to Improve the Forecasting of Tomorrow, i.e. promuovere la ricerca e le osservazioni del tempo spaziale per migliorare le previsioni di domani) è stata formalizzata la necessità di sviluppare strumenti sempre migliori di sorveglianza e di previsione del tempo spaziale.

Anche dalle nostre parti, il 4 febbraio scorso, nel quadro di un settore strategico in rapida evoluzione a livello nazionale e internazionale, l’aeronautica militare, l’Inaf e l’Ingv hanno siglato un accordo di collaborazione volto allo sviluppo di una capacità autonoma di monitoraggio e previsione per lo space weather.

Uno dei principali obiettivi della meteorologia spaziale è prevedere correttamente l’arrivo delle espulsioni di massa coronale, le massicce espulsioni di materia proveniente dalla corona solare – principalmente plasma d’elettroni e protoni – trasportate dal campo magnetico del Sole durante i periodi d’intensa attività.

Simulazioni di eventi di espulsione di massa coronale che mostrano la configurazione del relativo campo magnetico. Crediti: Talwinder Singh, Tae K. Kim , Nikolai V. Pogorelov  e Charles N. Arge.

Un team di ricercatori guidati da Nikolai Pogorelov, professore di Scienze spaziali presso l’Università dell’Alabama a Huntsville (Usa), ha utilizzato potenti supercomputer e sofisticati codici numerici per simulare questi eventi e cercare di prevederne l’arrivo sulla Terra. Le simulazioni effettuate sono simulazioni magnetoidrodinamiche, cioè modelli che permettono di studiare le proprietà magnetiche e il comportamento di fluidi elettricamente conduttori come il plasma solare. «La meteorologia spaziale richiede strumenti capaci in tempo reale di poter prevedere gli impatti prima di un evento, non solo dopo», spiega Nikolai Pogorelov, co-autore dello studio, pubblicato su Space Weather, che riporta i risultati della ricerca. «Non ci pensiamo, ma le telecomunicazioni, i Gps e le tecnologie che usiamo tutti i giorni possono essere influenzati da effetti meteorologici spaziali estremi».

Il team ha utilizzato il supercomputer Frontera presso il Texas Advanced Computing Center (Tacc) – il nono sistema di calcolo più veloce al mondo – e sistemi di calcolo ad alte prestazioni della Nasa e del San Diego Supercomputing Center anche per un altro motivo: studiare in dettaglio il cosiddetto backstreaming pickup ions, ossia ioni di ritorno, di origine interstellare o locale, che vengono captati dal plasma del vento solare magnetizzato e si spostano radialmente verso l’esterno dal Sole.

Per comprendere meglio questo fenomeno, i dati ottenuti sono stati confrontati con le osservazioni delle sonde Voyager 1 e 2, “viaggiatori spaziali” che hanno esplorato i confini esterni dell’eliosfera e che ancora oggi, a più di 40 anni dal lancio, forniscono dati unici del mezzo interstellare locale. «Quindici anni fa non sapevamo molto del mezzo interstellare o delle proprietà del vento solare», ricorda Pogorelov. «Oggi abbiamo così tante osservazioni disponibili che ci consentono di convalidare i nostri codici e renderli molto più affidabili».

Il risultato delle simulazioni? Oltre a determinare molto bene la correlazione tra espulsione di massa coronale e flusso di particelle, il modello è stato in grado di abbinare l’ora di arrivo e i parametri del plasma delle espulsioni di massa coronale con molta accuratezza, spiegano i ricercatori. Sono stati necessari circa 30 minuti di calcolo per simulare la propagazione di una espulsione di massa coronale a 1 unità astronomica. Con questa robustezza dei risultati, continuano i ricercatori, questo modello può essere utilizzato come strumento operativo per la previsione del tempo spaziale.

Pannello superiore, da sinistra a destra: espulsione di massa coronale del 12 luglio 2012 osservata rispettivamente nei coronografi STEREO B Cor2, SOHO C2 e STEREO A Cor2. Pannello inferiore: le stesse immagini si sovrappongono ai risultati del modello. Crediti: Talwinder Singh, Mehmet S. Yalim, Nikolai V. Pogorelov, and Nat Gopalswamy

Pogorelov è anche co-investigatore di Sweap (Solar Wind Electrons, Alphas and Protons), il misuratore di particelle a bordo di Parker Solar Probe, la sonda Nasa lanciata nel 2018 per studiare il Sole e il vento solare. «Presto Parker Solar Probe penetrerà oltre la sfera critica dove il vento solare diventa magnetosonico superveloce, per cui avremo informazioni sulla fisica dell’accelerazione e del trasporto del vento solare che non abbiamo mai avuto prima» dice a questo proposito lo scienziato.

Con il progredire della missione dell’osservatorio solare e man mano che nuovi strumenti di osservazione diventeranno disponibili, i ricercatori avranno quindi tra le mani una grande quantità di nuovi dati, che potranno essere utilizzati per lo sviluppo di nuovi strumenti in grado di fare previsioni del tempo spaziale. Per questo motivo stanno già sviluppando un nuovo software, utilizzabile da ricercatori di tutto il mondo, in grado di integrare in tempo reale nuovi dati osservativi. «Senza dubbio, negli anni a venire, la qualità dei dati della fotosfera e della corona solare migliorerà notevolmente, sia grazie ai nuovi dati disponibili che ai nuovi modi più sofisticati di lavorare con questi dati» conclude Pogorelov. «Stiamo cercando di creare un software in modo tale che se un utilizzatore ottiene migliori risultati da nuove missioni scientifiche, sarà più facile integrare tali informazioni».

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