Aurore boreali e blackout: le perturbazioni magnetiche possono raggiungere il suolo in soli 7 minuti

Dietro le aurore boreali, tra gli spettacoli più affascinanti della natura, si nascondono fenomeni fisici capaci di mettere in difficoltà le infrastrutture tecnologiche terrestri.

Una ricerca svela la rapidità, appena sette minuti, con cui la perturbazione magnetica in magnetosfera si manifesta al suolo.

Dal Sole alle aurore: come nasce una sottotempesta geomagnetica

Le espulsioni di massa coronale - chiamate in inglese CME Coronal Mass Ejections - sono il fenomeno solare più pericoloso per la Terra.

Succede, soprattutto durante il massimo del ciclo solare, che gli intensi campi magnetici nell’atmosfera del Sole rilascino improvvisamente e in maniera esplosiva enormi quantità di energia.

Queste esplosioni causano l’espulsione nello spazio di massa coronale, cioè di plasma solare magnetizzato ad elevatissima temperatura e ad elevatissime velocità. Possiamo immaginare il fenomeno come un'enorme nube di plasma magnetizzato che viene espulsa dal Sole e si propaga nello spazio a velocità che possono superare i duemila chilometri al secondo.

I CME diventano pericolosi quando questo “cannone” spara proprio in direzione della Terra. Questa circostanza succede frequentemente ma, grazie alla magnetosfera terrestre, gli effetti sono spesso limitati. La nube di plasma viene deviata dalle linee del campo magnetico.

Succede a volte che questa nube di plasma riesca a modificare la configurazione delle linee del campo magnetico terrestre. Una prima riconnessione delle linee del campo magnetico avviene sul lato rivolto al Sole, favorendo il trasferimento di energia alla magnetosfera.

Questa energia viene in parte accumulata nella coda magnetica, o magnetotail, sul lato opposto della Terra. Una seconda riconnessione nella coda può liberare rapidamente l'energia accumulata, alimentando correnti elettriche e processi di accelerazione delle particelle che si manifestano in “sottotempeste” geomagnetiche localizzate (le “tempeste” geomagnetiche interessano globalmente la magnetosfera) e che contribuiscono alla formazione delle aurore.

Il tempo impiegato da un CME per raggiungere la Terra dipende dalla velocità con cui viene scagliato. Si va da un minimo di 15-18 ore nei casi più energetici a 4-5 giorni nei casi meno energetici.

La riconnessione nella coda magnetica può verificarsi a distanze dell'ordine di 45.000–65.000 chilometri dalla Terra. Una parte dell'energia liberata accelera particelle di plasma che, seguendo le linee del campo magnetico, raggiungono l'alta atmosfera nelle regioni polari.

Qui le collisioni con gli atomi di ossigeno producono le caratteristiche emissioni aurorali di colore verde e rosso, mentre le collisioni con le molecole di azoto producono colori blu e viola.

Dallo spazio alla superficie terrestre in appena sette minuti

Una ricerca condotta da Sanjay Kumar e collaboratori ha svelato risultati sorprendenti sulla velocità con cui l’inizio di una tempesta geomagnetica nella magnetotail si manifesta sulla superficie terrestre.

Combinando le osservazioni dei satelliti THEMIS e GOES con quelle di una rete di magnetometri nel Canada artico, i ricercatori hanno ricostruito la sequenza temporale di due sottotempeste geomagnetiche.

Hanno così osservato che, appena sette minuti dopo la riconnessione magnetica registrata nello spazio a distanze comprese tra circa 45.000 e 65.000 chilometri dalla Terra, il campo magnetico misurato al suolo iniziava a variare rapidamente. Si tratta non del tempo impiegato dal plasma ma dalla perturbazione magnetica per percorrere questa distanza.

Il risultato dimostra quanto velocemente una perturbazione magnetosferica possa influenzare l'ambiente terrestre, pur avendo origine a decine di migliaia di chilometri di distanza.

Gli effetti geomagnetici variano da evento ad evento ed interessano zone diverse della superficie terrestre con perturbazioni di intensità molto diversa anche a poche decine di chilometri di distanza.

Quando le aurore diventano un pericolo per le reti elettriche

Finché i CME producono tempeste geomagnetiche moderate i cui unici effetti sono la manifestazione delle aurore, nessun problema. Ma non sempre le tempeste geomagnetiche sono deboli o moderate.

Il problema nasce dal fatto che i campi magnetici rapidamente variabili durante le tempeste generano correnti elettriche indotte - un noto fenomeno dell’elettromagnetismo.

Queste correnti, che possono essere anche di grande intensità, circolano sul terreno, nei conduttori, ma anche nelle infrastrutture e nelle linee elettriche ad alta tensione.

Nel caso delle tempeste geomagnetiche le correnti sono generate dalle variazioni del campo magnetico terrestre e vengono chiamate geomagneticamente indotte, o GIC, e sono particolarmente pericolose per i trasformatori delle reti di distribuzione e trasmissione dell'energia.

Alcuni esempi storici recenti sono la violenta tempesta geomagnetica che nel marzo 1989 provocò il collasso della rete elettrica Hydro-Québec, lasciando oltre sei milioni di persone senza elettricità per circa nove ore; oppure le celebri tempeste solari di Halloween che nell'ottobre 2003 contribuirono a un'interruzione dell'alimentazione elettrica nella città svedese di Malmö, coinvolgendo circa 50.000 persone.

Le previsioni dell'attività solare grazie a quello che oggi chiamiamo lo space weather, ossia meteorologia spaziale, possono offrire un preavviso di diverse ore sull'arrivo di perturbazioni, anche se ancora non siamo al punto di poter prevedere luogo esatto in cui si manifesteranno e l'orario.

Lo studio sottolinea proprio questa difficoltà: una volta avviata una sottotempesta, le perturbazioni possono manifestarsi al suolo nel giro di pochi minuti.