Secondo un nuovo studio statistico pubblicato oggi su Nature, stiamo sottovalutando le possibili conseguenze di forti tempeste geomagnetiche sulla Terra. La causa sarebbe una combinazione fra errori di misura del vento solare, il responsabile di tali tempeste, deduzioni fisiche e un fenomeno statistico noto come “regressione verso la media”.
Illustrazione del vento solare che, nell’impatto con la magnetosfera terrestre, genera aurore così luminose da essere visibili anche lontano dai poli: un segno riconoscibile di una tempesta geomagnetica estrema. Crediti: Nithin Sivadas/Nasa Goddard Space Flight Center
Il meteo spaziale – causato dalle variazioni dei campi elettrici nel campo magnetico terrestre e nell’alta atmosfera in risposta all’attività solare – può influenzare in diversi modi le tecnologie presenti sulla Terra e nello spazio circostante. Il fenomeno scatenante, lo dicevamo, è il vento solare, un flusso continuo di particelle e plasma emesso dal Sole, che può intensificarsi durante le eruzioni solari, causando sulla Terra fenomeni intensi come le tempeste geomagnetiche. Durante questi eventi, che consistono in perturbazioni temporanee del plasma e del campo magnetico attorno alla Terra, possono verificarsi interruzioni delle comunicazioni satellitari su scala globale, blackout elettrici estesi e un aumento dell’esposizione alle radiazioni per astronauti e piloti.
Le osservazioni hanno finora indicato che, con l’aumentare dell’intensità del vento solare, anche le correnti elettriche nell’alta atmosfera terrestre – quelle che, per l’appunto, influenzano satelliti, comunicazioni e sistemi di navigazione – crescono. Il processo, però, sembrerebbe non essere lineare, o almeno non completamente: la crescita, in media, continua fino a un certo punto, per poi stabilizzarsi. Questo ha indotto gli scienziati a pensare che esistesse un limite massimo alla risposta della Terra alle tempeste solari, una sorta di livello di saturazione. In particolare, si è sempre pensato che le correnti elettriche presenti nell’alta atmosfera terrestre raggiungessero un valore massimo oltre il quale non aumentassero, anche in presenza di un vento solare più intenso. Negli anni sono state formulate decine di teorie fisiche per spiegare le osservazioni, ma nessuna ha ottenuto il consenso degli esperti.
Il nuovo studio cambia completamente la prospettiva: la saturazione non sarebbe espressione di un fenomeno fisico ma il manifestarsi di un vizio di misura e di una tendenza statistica. Il primo punto sollevato dagli autori riguarda proprio il modo in cui vengono effettuate le misure dell’intensità del vento solare. A questo proposito, va premesso che la maggior parte delle sonde impiegate si trova in L1, un punto di equilibrio gravitazionale fra la Terra e il Sole a circa 1,5 milioni di chilometri dal nostro pianeta.
«Tra il punto in cui misuriamo l’intensità del vento solare, il punto di Lagrange L1, e la magnetopausa – il punto in cui il vento solare colpisce l’atmosfera esterna della Terra – si verificano diversi processi», spiega a Media Inaf Nithin Sivadas, ricercatore al Dipartimento di fisica della Catholic University of America a Washington DC, e primo autore dell’articolo. «Alcuni di questi processi possono avere un effetto sistematico sulla riduzione dell’intensità, mentre altri, come la turbolenza, possono avere un effetto casuale, determinando variazioni casuali nell’intensità del vento solare. Ci concentriamo esclusivamente sui processi che causano variazioni casuali. I fenomeni che determinano variazioni casuali nell’intensità del vento solare misurata tra L1 e le vicinanze della Terra includono, ad esempio, la direzione del vento solare, la sua struttura variabile e la turbolenza più vicina alla Terra. Poiché questi fattori introducono variazioni casuali, gli scienziati hanno in precedenza ipotizzato che, in media, le sottostime si annullassero a vicenda con le sovrastime, consentendoci di mettere in relazione l’intensità media misurata del vento solare con i suoi effetti sulla Terra senza preoccuparci delle variazioni casuali. Tuttavia, il nostro articolo sostiene che ciò non sia del tutto vero».
Trovando un’analogia, l’autore sta dicendo che il metodo usato finora è come cercare di capire quanto può essere pericoloso il comportamento del mare per una città costiera misurando un’onda molto alta a una distanza di varie miglia dalla costa, supponendo che le conseguenze a riva siano proporzionali all’altezza misurata. Nel tragitto, però, in risposta a fenomeni del tutto casuali, l’onda può trasformarsi completamente, crescere o smorzarsi.
«Quando nella misurazione di un input di un sistema (nel nostro caso, il vento solare) si verifica un errore casuale e viene rilevato un valore estremo, è probabile che l’input reale sia inferiore e più vicino alla media rispetto al valore misurato», continua Sivadas. «Questa affermazione logica deriva dalla teoria della probabilità ed è alla base dell’effetto di regressione alla media. Tuttavia, anche la risposta del sistema (nel nostro caso, la conseguenza sulla Terra) a questa grandezza d’ingresso più piccola sarà inferiore a quanto ci si aspetterebbe in base al valore estremo misurato».
La regressione alla media di cui parla Sivadas è un fenomeno statistico in cui le misurazioni estreme sono più probabilmente seguite da misurazioni più vicine alla media. Nell’articolo, gli autori sostengono che, anche quando non si ricorre ad alcuna analisi statistica, il valore vero sconosciuto alla base di una misurazione è probabilmente più vicino al valore vero medio rispetto alla misurazione stessa. In altre parole, quando nella misurazione è presente un errore casuale, il valore vero tende in una direzione specifica e non ha la stessa probabilità di essere superiore o inferiore alla misurazione, come talvolta si presume erroneamente.
«Quando non si tiene conto di questa regressione alla media nella grandezza d’ingresso, come spesso accade in molti studi, la risposta più debole verrà erroneamente associata al valore estremo misurato», spiega il ricercatore. «Di conseguenza, la risposta del sistema verrà sottostimata. Si tratta di un risultato generale, applicabile ad altri campi della scienza, della medicina e dell’ingegneria. Nel nostro caso specifico, la risposta della Terra all’intensità del vento solare misurata apparirà più debole di quanto non sia in realtà. Quando il vento solare di intensità estrema colpirà realmente la Terra, le conseguenze saranno proporzionalmente estreme. Il nostro articolo sostiene questa tesi utilizzando una derivazione matematica e dimostrandone la validità con misurazioni effettuate sia nel punto L1 che in prossimità della Terra».
A supporto di questa idea, infatti, nello studio sono state analizzate oltre un milione di misurazioni del vento solare effettuate da veicoli spaziali della Nasa in orbita terrestre, molto vicini al nostro pianeta. L’analisi ha evidenziato una relazione diretta tra l’intensità del vento solare e le correnti elettriche nell’alta atmosfera, suggerendo che non esista un limite superiore alla risposta della Terra: all’aumentare dell’intensità del vento solare, infatti, continuano ad aumentare anche le correnti e, di conseguenza, i potenziali impatti sulle tecnologie.
L’errore, concludendo, sarebbe aver cercato una spiegazione fisica a un fenomeno quasi puramente statistico. Dire che esiste un livello di saturazione nella risposta della magnetosfera terrestre equivale a rassicurarsi sul fatto che in futuro non ci potranno essere conseguenze peggiori di quelle già registrate finora durante una tempesta geomagnetica: un’assunzione rischiosa, se si rivelasse falsa, poiché il verificarsi del contrario ci troverebbe completamente impreparati.
«Gli eventi estremi finora misurati a L1 sono “falsi estremi”», conclude Sivadas. «Ciò è dovuto al fatto che tra L1 e il punto in cui il vento solare colpisce l’atmosfera esterna della Terra (la magnetosfera) agiscono molteplici processi fisici in direzioni casuali – non un singolo processo fisico che attenua l’intensità del vento solare. Se un vento solare estremo colpisse direttamente l’atmosfera esterna della Terra, il pianeta subirebbe conseguenze proporzionalmente estreme».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Regression to the mean can explain saturation of geomagnetic storms“, di Nithin Sivadas, David Sibeck, Varsha Subramanyan, Maria-Theresia Walach, Dogacan Su Ozturk, Banafsheh Ferdousi e Bayane Michotte de Welle