Il tempo spaziale non è un concetto astratto: riguarda lo spazio, ma i suoi effetti sulla Terra possono essere significativi. Per aiutare a prevedere meglio questi effetti, la missione Cluster dell’ESA, un quartetto di veicoli spaziali lanciato nel 2000, sta attualmente lavorando per capire come il nostro pianeta sia collegato al suo ambiente magnetico e per svelare la complessa relazione tra la Terra e la sua stella madre.
Vento solare e campo magnetico terrestre
Nonostante le apparenze, lo spazio attorno al nostro pianeta è tutt’altro che vuoto. La Terra è circondata da vari strati di atmosfera, è costantemente immersa in un flusso di particelle cariche provenienti dal Sole, noto come il vento solare, e invia le proprie linee di campo magnetico nel cosmo.
Questo campo inonda la nostra immediata zona di spazio, agendo come una specie di scudo contro ogni radiazione potenzialmente dannosa che potrebbe arrivare sulla nostra strada.
Definisce anche la magnetosfera del nostro pianeta, una regione dello spazio dominata dal campo magnetico terrestre e piena di energia che viene riempita dal vento solare e rilasciata sporadicamente nell’ambiente vicino alla Terra.
Occasionalmente incontriamo tempeste magnetiche ed eventi che disturbano e interagiscono con le cinture di radiazione terrestre, l’atmosfera e la superficie planetaria. Uno degli esempi più famosi di questo fenomeno è l’aurora che la Terra sperimenta ai suoi poli. Questi luccicanti fogli di colore si formano quando il vento solare sconvolge e viola gli strati superiori della nostra atmosfera.
L’impatto sulle condizioni meteo
Il tempo atmosferico ha un impatto reale sulle nostre attività sulla Terra e rappresenta un rischio significativo per il viaggio nello spazio, sia robotico che umano.
Flussi improvvisi di particelle ad alta energia emanate dal Sole possono contenere fino a 100 milioni di tonnellate di materiale; questo può penetrare nelle pareti dei veicoli spaziali o influenzare la loro elettronica, disabilitare i satelliti e abbattere i trasformatori elettrici terrestri e le reti elettriche. Attualmente ci sono circa 1.800 satelliti attivi che circondano il nostro pianeta, e la nostra dipendenza dalla tecnologia spaziale sta solo diventando più forte.
“Ciò evidenzia la necessità pressante di previsioni meteorologiche spaziali più accurate”, afferma Philippe Escoubet, Project Scientist per la missione Cluster dell’ESA. “Per capire e prevedere questo tempo, abbiamo bisogno di sapere di più su come la Terra e il Sole sono collegati, e su cosa l’ambiente magnetico intorno alla Terra assomiglia e agisce. Questo è ciò che Cluster ci sta aiutando a fare.”
Il magnetismo terrestre ci protegge
Vari veicoli spaziali stanno studiando l’ambiente magnetico attorno alla Terra e il modo in cui interagisce con il vento solare. Gli sforzi sono stati collaborativi a livello internazionale, dagli osservatori, tra cui le missioni Cluster e Swarm dell’ESA, la missione Magnetospheric MultiScale della NASA (MMS), i sondaggi Van Allen e THEMIS (cronologia degli eventi e interazioni macroscurali durante le sottotempeste), e le missioni giapponesi (JAXA / ISAS) Arase e Geotail.
Il progetto Cluster comprende quattro astronavi identiche che volano in una formazione a forma di piramide, ed è in grado di raccogliere dati incredibilmente dettagliati sulla struttura complessa e le fluttuazioni del nostro ambiente magnetico.
Per quasi due decenni, questo quartetto ha mappato la nostra magnetosfera e individuato i flussi di plasma freddo e le interazioni con il vento solare, sondato il nostro magnetotail, un’estensione della magnetosfera che si estende oltre la Terra nella direzione opposta al Sole.
La missione ha anche modellato la turbolenza su piccola scala e le complesse dinamiche del vento solare stesso, e ha contribuito a spiegare i misteri delle aurore terrestri.
Un campo magnetico molto esteso
Mentre questo nuovo catalogo di scoperte è abbastanza impressionante, Cluster sta ancora producendo nuove intuizioni, specialmente nel campo del tempo spaziale. Recentemente, la missione è stata strumentale nella costruzione di modelli più accurati del campo magnetico del nostro pianeta sia vicino alla Terra (alle cosiddette altitudini geosincrone) che a grandi distanze dalla superficie terrestre.
Questi recenti modelli erano basati sui dati del Cluster e di altre missioni menzionate sopra, e messi insieme da scienziati tra cui Nikolai Tsyganenko e Varvara Andreeva dell’Università Statale di San Pietroburgo, in Russia. Forniscono un modo per tracciare le linee del campo magnetico e determinare come si evolvono e cambiano durante le tempeste, e possono quindi creare una mappa magnetica di tutti i satelliti attualmente in orbita intorno alla Terra fino a basse altitudini.
La missione Swarm
La missione Swarm dell’ESA fornisce anche informazioni sul campo magnetico del nostro pianeta. Lanciato nel 2013 e composto da tre satelliti identici, Swarm ha misurato in modo preciso i segnali magnetici che provengono dal nucleo, dal mantello, dalla crosta e dagli oceani della Terra, nonché dalla ionosfera e dalla magnetosfera.
“Questo tipo di ricerca è inestimabile”, aggiunge Escoubet. “Inaspettate o estreme condizioni meteo spaziali possono danneggiare gravemente tutti i satelliti che abbiamo in orbita attorno alla Terra, quindi essere in grado di tenerne traccia in modo migliore – mentre allo stesso tempo ottenere una migliore comprensione della struttura dinamica del campo magnetico del nostro pianeta – è fondamentale per la loro sicurezza.“
Le esplosioni coronali
Cluster ha anche recentemente tracciato l’impatto di enormi esplosioni di particelle e fotoni altamente energetici dagli strati esterni del Sole noti come eiezioni di massa coronale (CME). I dati hanno mostrato che le CME sono in grado di innescare tempeste geomagnetiche forti e deboli mentre si incontrano e si deformano a causa dello shock di prua terrestre, il confine dove il vento solare incontra i limiti esterni della nostra magnetosfera.
Tali tempeste sono eventi estremi. Cluster ha esplorato una tempesta specifica verificatasi a settembre 2017, innescata da due CME consecutive separate da 24 ore. Ha studiato come la tempesta abbia influenzato il flusso di particelle cariche che lasciano le regioni polari della ionosfera, uno strato di atmosfera superiore della Terra, superiore a circa 100 km, e ha rilevato che questo flusso è aumentato attorno al cappuccio polare di oltre 30 volte. Questo flusso potenziato ha conseguenze per il tempo atmosferico, come l’aumento della resistenza per i satelliti, e si pensa che sia il risultato della ionosfera riscaldata da più intensi brillamenti solari.
