Maurizio CandidiIstituto di Fisica dello Spazio Interplanetario –

IFSI

Istituto Nazionale di AstroFisica - INAF

Relazioni Sole-Terra…Relazioni Sole-Terra…

… verso una meteorologia spaziale… verso una meteorologia spaziale

TELECOMUNICAZIONI COMMERCIALI

MA ANCHE RETI PER BANCOMAT E CARTE DI CREDITO

QUEL MATCH NASCOSTO TRA TERRA E SOLE  NEW YORK 29-01-1997 Dimenticate i libri di fantascienza: questa e la cronaca vera del match di pugilato interspaziale tra il Sole e la Terra seguito in diretta, e con qualche brivido, dagli astrofisici della NASA. Gong iniziale: 10 gennaio. Alle 17 il satellite Soho, con cui NASA e Agenzia Spaziale Europea studiano la meteorologia dello spazio, registra una immensa eruzione di particelle dalla corona solare. "Fratello Sole si è svegliato" commentano scherzosamente (e in segreto) gli scienziati dei due continenti, senza rendersi conto della portata dell'esplosione. Invece, una nube magnetica spessa 50 milioni di chilometri comincia da quell'istante a percorrere i 150 milioni di chilometri che separano la stella dal suo pianeta. La Terra viene colpita due volte. "Il classico uno-due della boxe", spiega la NASA nella conferenza stampa al termine della "partita". All'alba del 10 gennaio la tempesta magnetica si infrange sul polo sud a un milione di migliaia all'ora, mettendo in tilt tutti i sistemi di comunicazione e proseguendo per lo spazio interplanetario. Inaspettato e particolarmente violento, il secondo pugno solare arriva l'11 gennaio. Una massa di "elettroni killer" dalla potenza distruttiva maggiore dei raggi X si abbatte sulla Terra, come hanno potuto constatare trenta stazioni di controllo e venti satelliti. Uno di essi, il Telstar 401, nuovo di zecca, mandato in orbita appena tre anni fà dall'At&t e costato 300 miliardi di lire, si azzittisce improvvisamente, lasciando mezza America senza programmi TV. Non si sveglia più, l'At&t ora lo considera "morto". Per fortuna la stazione russa Mir e in orbita troppo bassa per subire gli effetti del pugno magnetico solare. Ma ciò non toglie che la povera Terra, come era prevedibile, perda ai punti il match di boxe.

LA METEOROLOGIA SPAZIALE

Stage

Tor Vergata, Roma, 11 Marzo 2009

1) Argomento della presentazione

2) Origine del fenomeno sul Sole

3) Caratteristiche del vento solare

4) Interazione con il campo magnetico terrestre

5) Magnetosfera

6) Effetti nello spazio e a terra

Eclisse del 11.8.1999

La corona solare ha una luminosità molto ridotta e generalmente non è visibile a causa della luminosità del disco; appare alla vista durante le eclissi totali di Sole, come quella qui mostrata.

Questi eventi sporadici sono stati usati per studi sulla corona solare, fino a quando non c’è stata la possibilità di osservare con continuità la corona durante eclissi artificiali, mediante coronografi su veicoli spaziali come SOHO, il SOlar and Heliospheric Observatory dell’ESA.

LA CORONA SOLARE

Eclipse and LASCO-C2 coronagraph images processed and merged by Serge Koutchmy

Questa immagine risulta dalla composizione di osservazioni dello strumento LASCO di SOHO e di una eclisse. Mostra chiaramente che la corona è organizzata dal campo magnetico solare, con grande complessità alla base, dove i campi sono molto intensi, e con struttura via via più semplice man mano che ci si allontana dalla superficie, con una diminuzione dell’intensità del campo magnetico e una predominanza del moto del plasma, della sua energia cinetica.

The huge solar mass ejection on July 14, 2000, observed by LASCO-C3.The “snow shower” is due to particles, accelerated to extremely high speeds

during the ejection. They penetrate the instrument walls and let the CCD scintillate.

An optical telescope as a Cosmic Ray detector!

A solar flare, as observed by TRACE

There is an endless discussion about the relation between CMEs and flares.

A unique observation by LASCO-C2.Note the helical structure of the prominence filaments!

CMEs are, at times, spectacular events!

La caratteristica di maggior rilievo per lo “space weather” è la CME (Coronal Mass Ejection”.

E’ una emissione di massa da una regione specifica di plasma denso che emerge con velocità superiore a quella normale, e trasporta strutture di campo magnetico.

La corona solare è un plasma

• Un plasma è un gas che ha una temperatura tale, alla densità alla quale si trova, da essere fortemente ionizzato

• E’ quindi una miscela di elettroni e ioni positivi

• L’universo è, in proporzione estrema, composto da materia allo stato di plasma, c’è chi dice al 99,99%. Nei corpi freddi come la Terra e gli altri pianeti questo non è vero, anche se vi sono zone nell’alta atmosfera terrestre, come la ionosfera, che è costituita da plasma di densità dell’ordine del 1% della densità dei neutri. Quindi la ionosfera è un plasma debolmente ionizzato

• La corona solare, e il vento solare che origina da essa, sono invece completamente ionizzati.

• Le particelle cariche sentono la forza di Lorentz, e quindi il comportamento del plasma è fortemente influenzato dai campi magnetici. Campi magnetici intensi determinano il moto del plasma; campi deboli sono invece influenzati dal plasma. I due sono comunque fortemente legati l’uno all’altro.

Le equazioni che governano lo “space weather”: MHD (MagnetoHydroDynamics)

• Le equazioni di Maxwell

• L’equazione del moto del plasma

• L’equazione di induzione

E t

BxE

0 B

xB Jt

E

JxBpDt

DV g

)(VxBxt

BB

2

Effetti MHD

• Plasma e campo magnetico sono strettamente legati dalla forza di Lorentz e si comportano in modo correlato ed autoconsistente

• Il campo magnetico è congelato nel plasma se la densità di energia del plasma è maggiore di quella del campo (corona e vento solare)

• Il plasma viaggia lungo le linee di forza del campo magnetico, quando la densità di energia del plasma è minore di quella del campo magnetico (Superficie del Sole e magnetosfera)

• E’ importante il fenomeno della riconnessione del campo magnetico in vari posti nel sistema Sole-Terra (Flares, Magnetopausa, Coda geomagnetica)

MODELLO DI BRILLAMENTO SOLARE:

Campo magnetico emergente da macchie, plasma solare che si muove lungo le linee di forza, evoluzione del campo magnetico sotto l’effetto della pressione del plasma.

Due caratteristiche notevoli:

-Riconnessione: responsabile del riscaldamento del plasma

-Campi magnetici elicoidali: che compariranno più avanti in relazione alle polarità del campo magnetico interplanetario

Helios at 60 Rs

Speed profiles of the slow solar wind,as determined from „leaves in the wind“ Sheeley et al., 1997

Note: coherent outward flow starts only at about 3 Rs, .The profile is

consistent with in-situ speed profiles obtained between 60 and 210 Rs.

60

Parker, 1963

The solar activity cycleThe solar activity cycle The magnetic The magnetic flux at the solar flux at the solar surface varies surface varies quasi-quasi-periodicallyperiodicallyin the 11-year in the 11-year solar cycle.solar cycle.

Magnetic fluxMagnetic flux

MinimumMinimum

X-raysX-rays

The short-waveThe short-waveradiation varies radiation varies strongly throughstrongly throughthe activity cycle:the activity cycle:from a factor 2 infrom a factor 2 inthe UV (<100 nm)the UV (<100 nm)up to a factor 100up to a factor 100in X-rays.in X-rays.

La Terra è immersa nell’atmosfera estesa del Sole, protetta dal suo campo magnetico e dalla sua atmosfera. Dal Sole emergono onde elettromagnetiche e flussi di particelle cariche (vento solare); queste ultime investono la Terra con il suo campo magnetico e generano complessi fenomeni che possono rappresentare un pericolo per i sistemi tecnologici e per la vita umana.

Perturbazione

magnetica che si propaga dal Sole;

dov’è la Terra?

Seguiamo lo zoom.

La Terra rappresenta un ostacolo minuscolo nel flusso del vento solare, come un piccolo sasso nella piena del fiume.

La riconnessione magnetica è favorita quando la polarità dei campi che si incontrano è opposta. Il campo magnetico terrestre, alla separazione con lo IMF, presenta polarità positiva, con una componente verticale diretta verso Nord. Quando quindi si presenta un IMF con una componente verticale negativa, verso Sud, si hanno le migliori condizioni per la riconnessione fra IMF e campo terrestre. Si formano in particolare due punti neutri.

Come detto, lo IMF è modulato con strutture a “flux rope”, nelle quali campi positivi sono seguiti da campi negativi, o viceversa.IMF

Il flusso del plasma del vento solare incontra l’ostacolo del campo magnetico terrestre, intenso rispetto alla densità di energia del vento solare, e gli gira attorno formando una cavità, la “magnetosfera”, dalla quale è escluso, in linea di principio. All’interno della magnetosfera il plasma interno segue moti di convezione dominati dalla struttura del campo elettrico e magnetico terrestre. Si formano correnti elettriche di varia natura, alla magnetopausa, ad anello nelle fasce di radiazione, allineate al campo nelle regioni polari e lungo l’ovale aurorale nella ionosfera polare, attraverso la coda.

LA MAGNETOSFERA TERRESTRE

JB

-E•J 0

JB

Istituto di Fisica dello Spazio Interplanetario – CNRIstituto di Fisica dello Spazio Interplanetario – CNR

U T , h h :m m

-200

-100

0

Dst

, nT

1 9 9 1 , J u n e 4 , 0 :0 0 - J u n e 8 , 0 :0 0

0 :0 0 1 2 :0 0 0 :0 0 1 2 :0 0 0 :0 0 1 2 :0 0 0 :0 0 1 2 :0 0 0 :0 0

J. Burch

Bartels’ musical diagramsof the geomagnetic index kp. ..

Note the regular “M-regions”. They are due to high speed streams, i.e. products of the

inactive sun.

EFFECTS on SATELLITES

• PHANTOM COMMANDS: Differential Surface Charging changes ground reference; charging and arcing affects vulnerable circuits.

• PROTON EVENTS: Coronal Mass Ejections send streams of high-energy protons, alpha particles and heavier ions Earthward.

• POWER PANEL OUTPUT LOSS - high energy protons damage active elements of solar power panels.

• SINGLE EVENT UPSETS (SEUs): Internal Charge Penetration - high energy ions. Protons or heavier ions burn tracks through chips or change internal charge.

• BULK CHARGING (Deep Dielectric) - Energetic electrons (Ee>1MeV) charge surface or interior dielectrics faster than discharge processes until arcs to lower potential may damage vulnerable circuit or part

• Magnetic Storms & Substorms affect Navigation Satellites in outer trapping region (half-geostationary altitude). Ambient fields & currents disturb frequency/time standards. Drag affects orbits.

ACTIVITY in GEOSPACE: What Causes Problems ?

• Electromagnetic Radiation: Flare X-rays and UV affect ionosphere/communications.

• Energetic particles (ions) form shock wave, move magnetosphere inside GEO, enhance radiation belts, and cause geomagnetic storms & substorms.

• Geomagnetic storm disturbed fields & current systems, surface charging.

• Auroral Substorm current systems and fields affect satellites directly.

• Killer Electrons: increase at GEO after low level magnetic storm, last for weeks.

Gli effetti sull’ambiente terrestre sono generati principalmente dalle

tempeste geomagnetiche, risultanti da disturbi nel vento solare, e

dall’aumento del flusso di particelle energetiche e di radiazione

elettromagnetica.

Effects on Humans

• All ground-based effects are important for impact on humans.

• High altitude aircraft radiation effects and all airborne technology effects are impact on humans.

• Astronauts directly affected by high energy protons and heavier ions.

Effetti sui satelliti artificiali:

Caricamento elettrico superficiale dovuto a plasma di bassa energia;

SEU (eventi singoli di disturbo) dovuti a particelle di alta energia;

Frenamento aerodinamico variabile con modifica delle orbite basse

Correnti Geomagneticamente Indotte (GICs)Intense correnti ionosferiche possono generarsi ad alta latitudine durante le tempeste geomagnetiche.Queste inducono correnti simili a terra ad esempio nei cavi per la distribuzione della energia elettrica o negli oleodotti.

Geomagnetic EffectsElectric Power Grid

J. Kappenman, Metatech

Il programma internazionale ILWS (International Living With a Star; Convivere con una stella) mira a coordinare tutte le attività di studio e ricerca sul Sole, sul vento solare, sulla magnetosfera terrestre, sulla ionosfera e sugli effetti sui sistemi tecnologici umani a terra e nello spazio, condotte da vari paesi

Living With a Star

CAWSES

Climate and Weather of the Sun-Earth System

A SCOSTEP Program

Il programma CAWSES: lo SCOSTEP (Scientific Committee for Solar Terrestrial Physics) propone il programma quadriennale di studio dello space weather.

Timeline of Significant STP Discoveries and Programs of the 20th Century

Italian activities in Solar terrestrial physics

Ground observations of the Sun (optical and radio telescopes)

Space observations of the Sun ( SOHO)

Solar wind observations (WIND, ULYSSES, CLUSTER)

Observations of the Earth magnetosphere (CLUSTER)

Ground observations of the Earth ionosphere (ionosondes, riometers, all-sky cameras, SuperDARN radars)

Ground magnetic field measurements (observatories)

Cosmic ray monitors

Theory and data analysis

Grazie dell’attenzione

Two small comets are evaporating near the sun.A few hours later a huge ejection occurs. Coincidence?

A unique observation by LASCO-C2.Note the helical structure of the prominence filaments!

The same CME, seen as a quick-motion movie

Spectacular, right?

A very fast halo CME on June 5, 2000.We predicted a strong geomagnetic storm for June 7/8.

We were right!

Space Weather

prediction:

practical exercise...

The sun as a “ballerina”, according to Alfvén, 1977.

Scheme of the radial evolution of a CIR

The originally sharp front separating streams of different speed widens because of stream-stream interactions.By about 1 AU all solar wind has been “processed” this way.That marks the border between Inner and Outer heliosphere.

The “Parker spiral”. The curvature depends strongly

on the solar wind speed

In case fast wind follows slow wind, a corotating interaction region (CIR) forms,

where the plasma is compressed and deflected

Field Dipolarization

Currents Intensification

Aurorae

Particle energization

Effects of the energy transfer

La densità di energia trasportata dal vento solare è un milionesimo di quella trasportata dalla radiazione elettromagnetica.

La superficie sulla quale viene raccolta però è molto maggiore, dato che l’ostacolo rappresentato dalla magnetosfera ha dimensioni lineari dell’ordine di 50 raggi terrestri.

Quindi l’energia che il vento solare deposita sul sistema è solo mille volte inferiore. Una frazione di questa energia sfugge verso la coda, ma il resto viene convogliata a terra,

Se il trasporto di questa energia è dovuto alle particelle, queste sono costrette a muoversi lungo le linee di forza del campo magnetico e quindi l’energia viene convogliata verso le regioni polari, con un fattore di concentrazione che rispecchia il rapporto fra i campi magnetici delle regioni da cui le particelle provengono e quello a poche centinaia di Km di altezza; questo rapporto può essere anche 1000. Tutto ciò per dire che il flusso di energia trasportata dal vento solare, che finisce sulle regioni polari, può essere sostanziale in rapporto al flusso di energia che vi giunge per illuminazione diretta.

La parte della regione polare che le particelle raggiungono ha una forma ad anello, attorno al polo magnetico, che varia di raggio al variare della attività geomagnetica; questo ovale aurorale quindi giace attorno alle latitudini di 80° per bassa attività, e può scendere fino a medie latitudini magnetiche per attività elevata.

Radiation Belts and the ISS

Effetti sugli esseri umani nello spazioEffetti sugli esseri umani nello spazio

Effetti sui sistemi socialiEffetti sui sistemi sociali

Corrosione delle tubature di gas o petrolio Scintillazione del segnale elettromagnetico Perturbazione delle telecomunicazioni via cavo Radiazione a cui sono sottoposti i passeggeri negli aerei Perturbazione o rottura delle reti elettriche Perturbazioni delle onde radio Malfunzionamenti di satelliti artificiali

Effetti delle Effetti delle tempeste tempeste spazialispaziali

Le tempeste spaziali possono essere dannose per le reti di energia elettrica sulla superficie della terra. Una grande tempesta spaziale nel 1989 indusse correnti elettriche che causarono gravi guasti nel sistema di distribuzione dell’energia elettrica del Quebec. Ciò impedì a 6 milioni di persone nel Canada e negli Stati Uniti di avere elettricità per oltre 9 ore.

science.nasa.gov/ssl/pad/sppb/

Pagine webhttp://helios.gsfc.nasa.gov/http://wwwssl.msfc.nasa.gov/http://www-spof.gsfc.nasa.gov/http://www-istp.gsfc.nasa.gov/istp/http://science.nasa.gov/ssl/pad/sppb/edu/http://fusedweb.pppl.gov/http://FusEdWeb.llnl.gov/CPEP/ http://www.spacescience.org/Education/http://sohowww.nascom.nasa.gov/http://sohowww.estec.esa.nl/http://www.esa.int/http://www.noao.edu/education/http://solar-center.stanford.edu/http://rigel.rice.edu/~dmb/spwea.html http://www.coseti.org/http://map.gsfc.nasa.gov/http://www.spacescience.org/ExploringSpace/PlasmaStateOfMatter/1.html

Previsioni per oggihttp://www.windows.ucar.edu/spaceweather/http://www.spaceweather.com