Introduzione
Eccoci con un altro report sulla radiazione cosmica nei voli aerei, ovvero una misura sulla radiazione ionizzante ad alta quota che si crea in atmosfera, su interazione coi raggi cosmici che arrivano dallo spazio.
Le misure riguardano i risultati ottenuti durante una vacanza-studio e durante il volo dall'Italia alla Norvegia, precisamente a Tromsø, punto di riferimento principale per lo studio delle aurore polari e della fisica spaziale, attraverso l'omonima università. Il volo è avvenuto in due tappe: Milano-Malpensa > Copenhagen e Copenhagen > Tromsø. Come per altre esperienze simili (vedi viaggio verso Ivalo), la raccolta dei dati è durata per tutto il tragitto.
Il rivelatore utilizzato è il neonato AMD5ALI, il quale è stato dotato di un registratore di dati per raccogliere misure da 3 canali distinti, due sulla radiazione ionizzante totale e uno per i soli raggi cosmici, principalmente muoni.
I dati delle rotte di volo sono fornite da FlightAware.
I dati delle rotte di volo sono fornite da Flightradar24.
Raggi cosmici in aereo
Nella prima tratta di volo l'aereo non ha superato i 10.000 metri, mentre nella seconda è arrivato a oltre 11.000. Già a questa quota, la radiazione ionizzante prodotta dai raggi cosmici raggiunge alti livelli, dove il picco massimo si assesta intorno ai 16000 metri, noto come massimo di Regener e Pfotzer (dai suoi scopritori).
Radiazione ionizzante, in questo caso significa radioattività di origine cosmica che il nostro corpo è costretto ad assorbire e a combattere per correggere i danni che essa produce. A terra siamo protetti dall'atmosfera che assorbe molta dell'energia delle particelle cosmiche, mentre in alta quota, anche in alta montagna, la radioattività assorbita aumenta progressivamente e nei voli aerei può diventare una minaccia costante, principalmente per i piloti e per l'equipaggio di volo.
Il rivelatore AMD5ALI in funzione.
Il numero di particelle contate da questo strumento alla quota di volo è di circa 300 al minuto!
Risultati
Il rivelatore è rimasto in funzione durante i voli: Malpensa>Copenhagen e Copenhagen>Tromsø. I grafici seguenti ci mostrano l'andamento della radiazione ionizzante registrata durante i voli. Le analisi prese in considerazione in questa esperienza riguardano solamente i voli di andata, dato che è facile immaginare che quelli di ritorno seguano un andamento analogo ma simmetrico.
Raggi cosmici da Malpensa a Copenhagen (conteggi al minuto) in funzione del tempo di trasferimento.
Raggi cosmici da Copenhagen a Tromsø (conteggi al minuto) in funzione del tempo di trasferimento.
I risultati delle misure sono in linea a quanto previsto, la quantità media di particelle in volo aumenta di almeno 23 volte rispetto ai dati di partenza, ma forse fa più effetto dire che aumenta di circa il 2300% rispetto ai valori a terra. Anche in questo volo emerge l'effetto di latitudine. Le particelle con carica elettrica che si muovono in un campo magnetico deviano la loro traiettoria, per via della forza elettromagnetica (forza di Lorentz). Non fanno eccezione le particelle ionizzanti in atmosfera che sono soggette al campo magnetico terrestre.
L'effetto di tale deviazione è maggiore all'equatore e praticamente nulla ai poli, perciò se con il nostro rivelatore in aereo partissimo dall'equatore (latitudine 0°) e ci dirigessimo verso il polo Nord (o Sud), ricaveremmo un andamento simile al grafico storico riportato qui sotto, dove la radiazione aumenta progressivamente fino al 60° parallelo, in seguito le linee di forza del campo magnetico sono "troppo inclinate" per avere effetto sulle particelle e avviene quello che in gergo tecnico viene definito cut-off, un taglio netto dove qualsiasi particella può penetrare il campo magnetico ed è arrestata solo dall'atmosfera. Questo effetto oggi è definito "effetto di latitudine". Per completezza va detto che l'asse magnetico terrestre è inclinato di circa 11° rispetto all'asse di rotazione e questo crea anche un effetto di longitudine sul flusso di particelle cosmiche misurate a terra.
References: Peter K.F. Grieder - COSMIC RAYS AT EARTH
Researcher’s Reference Manual and Data Book - Elsevier 2001.
I prossimi due grafici evidenziano questo effetto, la regressione lineare indica il progressivo aumento di radiazione cosmica, nonostante la quota dell'areo rimanga costante, ad indicare che l'effetto è dovuto al progressivo spostamento verso nord. L'aumento nel secondo volo è meno percettibile, un po' perchè i 60°N di latitudine vengono presto superati (intorno a Oslo) e un po' può dipendere da fluttuazioni transitorie degli stessi sciami cosmici.
Analisi di regressione lineare (somma dei due canali per le particelle ionizzanti), la linea blu indica la tendenza in aumento
durante il volo Malpensa Copenhagen.
Analisi di regressione lineare (somma dei due canali per le particelle ionizzanti), la linea blu indica la tendenza in aumento,
evidente solo a livello analitico (formula in alto)
durante il volo Copenhagen-Tromsø.
L'effetto di aumento delle particelle cosmiche verso le latitudini più alte è molto marcata se si considera il plot dei due viaggi, dei dati riguardanti i soli muoni, particelle molto penetranti che non vengono fermate troppo dall'atmosfera.
Andamento dei soli muoni nei due voli distinti,
appare evidente il maggior flusso di muoni in aumento verso la regione polare, priva della protezione magnetica.
Le misure a Tromsø
Il lavoro di analisi è proseguito anche a Tromso con qualche misura in hotel. Proprio per via dell'effetto di latitudine era atteso un valore maggiore di raggi cosmici rispetto alle nostre latitudini, tuttavia i risultati sono stati contrastanti. Sono stati utilizzati due piccoli rivelatori portatili, lo stesso AMD5ALI e una versione del rivelatore AMD5 super leggero (AMD5 miniLab). Le misure sono state eseguite solamente per 2 e 4 ore rispettivamente. Una statistica così bassa evidentemente non è sufficiente per mostrare l'effetto atteso. Qualche indizio si può vedere nelle frequenze misurate che nel caso dei dati di Tromsø è superiore, nonostante la media di particelle registrate sia nettamente inferiore.
Confronto tra i livelli di raggi cosmici a Tromsø (70°N) e a Venegono I. (Varese, 45°N)
Il grafico mostra la densità di probabilità, l'asse x rappresenta i valori dei dati (cpm), l'asse y rappresenta la densità, ovvero la concentrazione dei dati in diversi punti lungo l'asse x. L'area totale sotto la curva è uguale a 1 (rivelatore AMD5miniLAB).
Confronto tra i livelli di raggi cosmici a Tromsø (70°N) e a Venegono I. (Varese, 45°N)
Il grafico mostra le fasce di frequenze dei dati (Rivelatore AMD5miniLAB).
La maggiore presenza di dati nelle fasce a minore frequenza si può interpretare come una presenza di maggiore quantità di raggi cosmici a bassa energia, ma i dati non sono sufficienti per giungere a conclusioni.
Postazione di misura.
Aurore a Tromsø
La città di Tromso ha visto numerosi ricercatori occuparsi dello studio dei raggi cosmici e delle aurore boreali, dal punto di vista storico spiccano i nomi dei norvegesi Carl Størmer e Kristian Birkeland. Nel museo dell'Università di Tromsø è ancora possibile osservare una ricostruzione della terrella di Birkeland, costruita per lo studio dell'interazione tra vento solare e campo magnetico terrestre che porta alla formazione di tali formazioni spettacolari.
Università di Tromso
La terrella di Birkeland.
Ovviamente questa località è un punto ideale per andare a caccia di aurore, meno ovvia è la probabilità di azzeccare i giorni giusti di soggiorno, infatti devono collaborare sia la situazione meteorologica, sia quella meteorologica spaziale per avere la fortuna di osservare l'aurora nel suo massimo splendore.
Aurora boreale ripresa dal monte Storsteinen.
_astroparticelle.it
Detector-dosimeter
I rivelatori della serie AMD (Astroparticle Muon Detector) sono rivelatori costruiti con tubi di Geiger e Müller (GMT), il numero identificativo indica una diversa tipologia di costruzione e di utilizzo. Dal 2010 sono stati costruiti decine di modelli derivati da 13 prototipi diversi. Il loro funzionamento per rivelare i raggi cosmici (prevalentemente muoni) è fondato sul "metodo delle coincidenze" tra due o più sensori ed è stato ideato da Walther Bothe e Bruno Rossi negli anni trenta.
AMD5ALI utilizza tre sensori GMT, quindi oltre ai muoni rivela molte altre particelle; lo strumento infatti è stato dotato di datalogger per registrare i dati su tre canali indipendenti.
Misure di raggi cosmici con il pallone sonda del progetto SEM 3.07.2026
Nell’ultimo numero del "Giornale di Fisica" della SIF (Vol. 67, N. 2, aprile-giugno 2026) è stato pubblicato l'articolo sui risultati ottenuti dal Progetto SEM, realizzato dagli studenti del Liceo Scientifico di Cariati (CS), guidati dal Prof. Domenico Liguori.
Ricordiamo che il pallone sonda è stato lanciato da Paola il 20 ottobre 2025, portando nel "vicino spazio" la strumentazione progettata per effettuare importanti esperimenti a quelle altitudini.
Il Progetto SEM è stato il risultato di una grande partecipazione tecnica e scientifica, con il contributo diimportanti enti di ricerca italiani, docenti, studenti e professionisti dove ABProject Space ha lavorato a fianco degli studenti e dei docenti nella progettazione della sonda e nelle attività di simulazione, lancio e recupero...

Fonte: Società Italiana di Fisica
La radiazione spaziale a bordo di Artemis II 18.04.2026
Al di là dell'orbita terrestre, gli astronauti si trovano ad affrontare le particelle ionizzanti cosmiche che consistono in tre pericoli sovrapposti: particelle intrappolate nelle fasce di Van Allen, particelle da eventi solari (SPE) e i raggi cosmici galattici (GCR) provenienti dall'esterno del sistema solare. Artemis II ha viaggiato nella fase di instabilità successiva al massimo del Ciclo Solare 25, il che crea un certo paradosso: il fondo costante di raggi cosmici galattici è leggermente inferiore in prossimità del massimo solare, ma la probabilità di una tempesta solare dirompente è maggiore...
AMS svela nuovi segreti sui raggi cosmici 12.07.2026
L’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), installato sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), dal 2011 ha analizzato oltre 200 miliardi di particelle. Ora la collaborazione AMS ha dimostrato che la tradizionale divisione dei raggi cosmici in soli due gruppi è incompleta. I raggi cosmici sono stati tradizionalmente classificati in particelle primarie, prodotte e accelerate da sorgenti astrofisiche, e particelle secondarie, generate quando i raggi cosmici primari interagiscono con la materia durante il loro viaggio nella Galassia (ad esempio in atmosfera). Grazie a 13,5 anni di dati e all’analisi di circa un milione di raggi cosmici composti da elementi pesanti, AMS ha scoperto che entrambi i gruppi presentano popolazioni differenti, in base alla loro rigidità magnetica. I risultati rivelano quindi quattro classi distinte di raggi cosmici: due tipi di raggi cosmici primari e due tipi di raggi cosmici secondari. La scoperta è stata resa possibile dalle misurazioni precise di cinque elementi pesanti — fosforo, cloro, argon, potassio e calcio — che portano a 20 il numero totale degli elementi studiati da AMS. I nuovi risultati dimostrano che la produzione e la propagazione dei raggi cosmici sono processi molto più complessi di quanto ipotizzato in precedenza...
Fonte: CERN Bulletin
Scoperta una possibile origine dei raggi cosmici ultra-energetici 15.05.2026
L’Osservatorio cinese LHAASO potrebbe aver identificato una delle sorgenti dei raggi cosmici più potenti della Via Lattea. La ricerca si concentra sul cosiddetto “knee” (“ginocchio”) dello spettro dei raggi cosmici, una regione energetica ancora poco compresa. Secondo i dati raccolti, i microquasar sarebbero capaci di accelerare protoni fino a energie di 1 petaelettronvolt (PeV). Questi sistemi agirebbero quindi come giganteschi acceleratori naturali di particelle. I raggi cosmici sono particelle ad altissima energia provenienti dallo spazio profondo, composte soprattutto da protoni e nuclei atomici. Studiare la loro origine è una delle grandi sfide aperte dell’astrofisica moderna. Il problema principale è che i campi magnetici dell’universo deviano le particelle, cancellando le tracce della loro provenienza. Per questo gli scienziati usano raggi gamma e neutrini come “messaggeri” indiretti delle sorgenti cosmiche. LHAASO, situato ad alta quota in Cina, è oggi uno degli strumenti più avanzati al mondo per osservare questi fenomeni estremi...

Fonte: The Innovation
Il libro AstroParticelle
26.09.2013 - Un viaggio scientifico tra i raggi cosmici raccontato attraverso la storia, le invenzioni i rivelatori e gli osservatori; senza trascurare gli effetti che essi producono coinvolgendo numerose discipline scientifiche tra cui astrofisica, geofisica e paleontologia.
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