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Raggi cosmici e fulmini

Due fenomeni uniti da una stretta parentela

L'elettricità in atmosfera e anche nello spazio è un fenomeno molto importante, tuttavia raramente gli si attribuisce l'importanza dovuta, sia in meteorologia che in astrofisica.

La terra è come un grosso condensatore carico, la sua lastra negativa è il suolo e la sua lastra positiva è la ionosfera, in mezzo c'è il "dielettrico" ovvero l'aria che però da terra fino alla ionosfera non ha una densità costante, cioè non è un dielettrico isotropo e questo complica le cose sul modello di condensatore. L'aria ha una rigidità dielettrica di 3000 Volt per mm, questo vuol dire che due fili carichi distanti 1 mm produrranno una scintilla se la tensione tra di loro è almeno di 3 kV. La tensione elettrica in aria è di circa 120 volt per metro lineare, quindi da terra fino agli strati inferiori della ionosfera ci sarebbero ipoteticamente la bellezza di circa 10 milioni di Volt; in realtà la conduttività dell'aria non è costante per cui il valore è più vicino ai 100.000 - 500.000 Volt. In alcune occasioni ci accorgiamo di queste cariche elettriche, quando ad esempio scendiamo dall'automobile e tocchiamo la portiera, tutto questo con con tempo sereno. Se ci sono temporali la situazione si complica e le cariche elettriche locali raggiungono tranquillamente i 100 milioni di Volt. Questi sono i valori indispensabili - ma non sufficienti - per fare scoccare la scintilla tra le nuvole.


Cosa sono i fulmini lo sanno più o meno tutti, sono scariche elettriche che si propagano in atmosfera tra nuvola e nuvola, oppure tra nuvola e terra. In generale, la formazione di una scarica elettrica dipende dalla tensione elettrica e dal dielettrico presente, cioè la materia in cui si crea il campo elettrico. La distanza tra le cariche negative e positive è un'altro fattore determinante. La relazione tra la distanza delle cariche elettriche, la pressione e la tensione necessaria per fare scoccare l'arco elettrico in un determinato gas è esposto dalla legge di Paschen [1].

Dove Vs è la tensione di "scarica" che dipende da una serie di parametri: P la pressione, d la distanza, Vi il potenziale di ionizzazione del gas, Pa la pressione a livello del mare, L il percorso libero molecolare medio (la distanza raggiunta da due molecole prima di urtarsi) e γ il coefficiente di elettroni secondari (esempio cascate Townsend).

Per quanto complesso, questo è un modello di partenza che vale in certe condizioni, tuttavia in atmosfera le cose sono sempre molto complicate. In campo aerospaziale la corrente elettrica in atmosfera è presa in seria considerazione, dato che i velivoli accumulano cariche elettriche per effetto triboelettrico (strofinamento), questo è un dato che fa parte anche dei protocolli necessari per il lancio di un razzo nello spazio, determinate condizioni elettriche atmosferiche possono infatti far rimandare la partenza di un vettore, i rischi maggiori sono legati alla distruzione degli elementi di comunicazione, come le antenne e apparati elettronici connessi. Alcuni ricercatori si stanno anche interrogando sui possibili rischi delle scariche elettriche per future missioni nell'atmosfera di Marte[2].

Una cosa scoperta relativamente di recente è che la scarica del fulmine viene preceduta da una scarica di intensità minore chiamata "step leader", questa "corrente parassita" è composta da cariche elettriche che ricercano la strada più semplice per raggiungere il potenziale elettrico di carica opposta (la corrente elettrica un po' come l'acqua segue il percorso più breve). Quando la strada è aperta, la ionizzazione è tale da far partire la scarica vera e propria che è ciò che chiamiamo fulmine. Questa scoperta è stata possibile grazie alle fotocamere ad altissima velocità, come esposto nel video seguente.



La maggior parte dei fulmini sono chiamati negativi. perchè la scarica elettrica avviene dalla base della nuvola che possiede una carica negativa e la superficie del suolo che si ricopre di cariche positive (nonostante il suolo sia negativo). Più rari sono i fulmini positivi, dove generalmente l'arco elettrico parte dalla sommità della nube e scarica direttamente al suolo negativo. Questi ultimi sono molto più potenti dei primi, inoltre da non molto tempo è noto che quando avviene una scarica positiva si genera anche una scarica verso la ionosfera, queste scariche sono chiamate sprites (sono stati osservati anche in concomitanza con fulmini negativi) e rientrano nella categoria dei fenomeni elettrici transienti (TLE). Queste affermazioni sono da considerare con cautela in quanto lo studio dei fulmini è in continua evoluzione e la comprensione dei fenomeni elettrici in atmosfera è ancora molto scarsa.



Cariche positive (+) e negative(-).


Esistono infatti diversi altri fenomeni elettrici ancora poco conosciuti e la cui formazione è solo oggetto di speculazioni e sono sempre catalogati sotto la voce di TLE (Transient Luminous Event). Ma non è finita, i fulmini hanno così tanta energia che i fotoni sono talmente veloci da entrare nel dominio dei raggi X e gamma e sostanzialmente quasi ogni fulmine emette brevi flash in raggi X e più raramente in gamma. Altri fenomeni gamma sono stati osservati nelle nubi temporalesche, questa volta però sono eventi di lunga durata (runaway breakdown - vedi più avanti) e sembra che siano elettroni prodotti dai raggi cosmici e accelerati dai campi elettrici presenti all'interno dei temporali. Per aumentare la confusione recentemente sono stati osservati dai satelliti in orbita, anche raggi gamma in condizioni di assoluto cielo sereno.



Esempio di alcuni eventi elettrici in atmosfera chiamati TLE.


L'osservatorio di raggi cosmici LOFAR in Olanda ha trovato un metodo d'avanguardia per determinare il potenziale elettrico delle nubi tramite la deflessione dei muoni "cosmici". Questa tecnica seppur giovane e probabilmente da affinare ha evidenziato che la differenza di potenziale nelle nubi sfiora il miliardo di Volt! Un problema grosso nella formazione dei fulmini, in effetti è che il potenziale elettrico delle nubi non sarebbe sufficiente per innescare l'arco elettrico, ecco quindi che il ruolo dei raggi cosmici sarebbe determinante per innescare la scintilla principale. Le cascate elettrofotoniche, all'interno degli sciami di raggi cosmici secondari hanno un grande potere di ionizzazione, questo può influire sulla quantità di cariche elettriche e agevolare il percorso dello "step leader". Se prendiamo come riferimento la legge di Paschen, possiamo semplicemente osservare che i raggi cosmici influiscono sul parametro γ (il coefficiente di elettroni secondari) che si trova al denominatore, se il rapporto 1/γ aumenta, la scintilla puo generarsi con una tensione minore (considerando costanti gli altri parametri).

Un'altra spiegazione di come i raggi cosmici possono agevolare la scarica elettrica è la teoria di "runaway breakdown", questa teoria è stata presa in considerazione grazie alla scoperta dei segnali radio provenienti dai fulmini, brevemente consiste nel fatto che elettroni veloci, in certe condizioni - come nei campi elettrici delle nubi - possono accelerare la loro velocità e interagendo con la materia producono altri elettroni accelerati creando una moltiplicazione di elettroni a valanga. Questa teoria funziona, solo se sono presenti elettroni iniziali aventi le caratteristiche appunto di quelli degli sciami dei raggi cosmici.


Stazione scientifica Tien-Shang in Kazakistan [3].


Il condensatore terrestre si ricarica e scarica in continuazione dato che in ogni istante avvengono un migliaio di temporali e una domanda che può sembrare banale è: da dove arrivano tutte le cariche elettriche necessarie a sostenere questo circuito? La risposta è da cercare nello spazio, il Sole disperde una grande quantità di plasma nello spazio che è chiamato vento solare, ma questo non è altro che un fiume di cariche elettriche che rifornisce due serbatoi situati nella magnetosfera terrestre: le fasce di Van Allen. Queste zone dello spazio possono essere altrettanto considerate dei condensatori che a loro volta si scaricano e gradualmente iniettano particelle cariche (elettroni e protoni) nella ionosfera. Il vento solare in relazione all'intensità dei fulmini è stato oggetto anche di un'approfondita ricerca [4], uno dei tanti lavori che sottolineano come il funzionamento del nostro pianeta dipende direttamente dal Sole più di quanto vogliamo credere.

Dal punto di vista della ricerca coi raggi cosmici, LOFAR sta aprendo molte porte interessanti, gli sciami delle particelle cosmiche in atmosfera emettono onde radio, e LOFAR è uno dei pochi osservatori che ricostruisce la forma dello sciame attraverso i segnali radio. Le ricerche in corso sulla relazione tra fulmini e raggi cosmici sono innumerevoli, dal punto di vista didattico, qualche anno fa abbiamo anche effettuato un tentativo per mettere in relazione i dati registrati con i rivelatori di muoni AMD5 con quelli di un improvvisato prototipo di rivelatore di fulmini. I problemi però sono numerosi, in particolare il numero di falsi segnali registrati in una abitazione è molto alto e interpretato dal rivelatore come fulmine. Il progetto iniziale chiamato SCALMANA (Signal Comparison Among Lightning and Mean Astroparticle Number Activity) anche per questioni di tempo da dedicarvi è stato accantonato. Tuttavia LOFAR ha indicato un'altra via: dato che il flusso di muoni viene in qualche modo alterato dal potenziale elettrico nelle nubi, i rivelatori di ADA potrebbero trovare una relazione anche tra le tempeste e i raggi cosmici.

Marco Arcani



Mappa in tempo reale da Euclid.org.


 

[1] Semanticscholar

[2] Academia

[3] American Institute of physics

[4] Iopscience


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AMD15 - Nuovo rivelatore di raggi cosmici a GMT

AMD15 è un nuovo prototipo per rivelare i muoni cosmici che utilizza due sensori relativamente grandi, tipo Si21G (210 x Ø18 mm di superficie utile). Il rivelatore è stato costruito con lo scopo di valutare questi GMT mai utilizzati in precedenza. Come per tutti i rivelatori di raggi cosmici si considera come muone (raggio cosmico secondario) solo la particella che attraversa almeno due contatori allineati su di un asse - entro un determinato tempo...


Costruire un rivelatore di muoni a GMT (03.06.2021)

Nozioni di base sulla radiazione cosmica e una guida per chi vuole cimentarsi nella costruzione di un telescopio per raggi cosmici - ovvero un rivelatore di particelle elementari - per toccare con mano la fisica dei raggi cosmici e l’astronomia, due campi distinti e unificati dalla fisica delle astroparticelle...

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Trappole nel ghiaccio per catturare i neutrini cosmici 20.07.2021

Ricercatori stanno posizionando centinaia di antenne radio sulla superficie del ghiaccio e decine di metri sotto di essa, per catturare le sfuggenti particelle note come neutrini i quali sopraggiungono dal cosmo a energie elevatissime.

Si tratta dell'Osservatorio Radio per Neutrini in Groenlandia (RNO-G) guidato dall'Università di Chicago, dalla Libera Università di Bruxelles e dal centro di ricerca tedesco DESY.

I neutrini sono notoriamente riluttanti a interagire con la materia, il che consente a miliardi di loro di attraversarci ogni secondo senza alcun effetto. È necessario monitorare enormi volumi di materiale per catturare solo una manciata di neutrini che collidono con gli atomi. Un modo per farlo è sfruttare un segnale generato dall'impatto di un neutrino: un impulso di onde radio. Poiché le onde viaggiano fino a 1 chilometro all'interno del ghiaccio, una serie di antenne ampiamente distanziate vicino alla superficie può monitorare un volume di ghiaccio molto grande, a un costo inferiore, rispetto ad altre tecnologie presenti in osservatori come  IceCube al Polo Sud.

RNO-G è il primo sforzo internazionale per testare il principio di rivelazione dei neutrini tramite le onde radio. Una volta completata nel 2023, avrà 35 stazioni, ciascuna comprendente due dozzine di antenne che copriranno un'area totale di 40 chilometri quadrati.

Fonte: Science


Utilizzo peculiare delle sonde spaziali ESA 1.07.2021

Gli scienziati dell'ESA hanno utilizzato i dati dei software di manutenzione dei sistemi delle sonde Rosetta e Mars Express per fare chiarezza sui raggi cosmici nel sistema solare. I raggi cosmici ad alta energia causano la corruzione dei file nei computer, studiando i registri dei malfunzionamenti causati da particelle  che colpiscono i circuiti il team dell'ESA si è reso conto che, poiché le missioni nello spazio profondo viaggiano più lontano e più a lungo, questi registri possono svolgere il doppio compito di misurare la variazione dell'attività dei raggi cosmici in diverse parti del sistema solare nel tempo. Per lo studio, hanno esaminato i registri di manutenzione per la missione Mars Express dal 1 gennaio 2005 al 17 settembre 2020 e quelli della missione Rosetta dal 1 gennaio 2005 al 30 settembre 2016. Il set di dati inoltre consente agli scienziati di analizzare i raggi cosmici non solo nel tempo, ma anche nello spazio confrontando i conteggi dei cosmici tra le navicelle spaziali e le osservazioni sulla Terra in antartico, nonché a distanze variabili dal Sole. 

Le misurazioni hanno rivelato che il numero di raggi cosmici aumenta di circa il cinque percento per unità astronomica (150 milioni di km). I raggi cosmici su Marte si comportano in modo molto simile che sulla Terra e sono fortemente influenzati dal ciclo solare. Man mano che il Sole diventa più attivo e ospita più macchie solari, vediamo meno raggi cosmici, poiché la nostra stella ne devia di più. Tuttavia, questa anti-correlazione si vede circa 5,5 mesi più tardi - non è immediata - e la ragione di questo ritardo rimane un'intrigante questione aperta...

Fonte: ESA


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