di  -  lunedì 1 marzo 2010

Visione artistica dei TGRF (NASA)

In passato ho avuto occasione di parlare di un fenomeno che attira incredibilmente l’attenzione degli scienziati, ovvero i raggi Gamma.

In particolare mi ero concentrata sui Gamma Ray Bursts, cioè degli intensissimi flash di raggi gamma provenienti dallo spazio più profondo, da galassie lontane che rappresentano un interessantissimo mezzo per comprendere e conoscere la fisica di zone così distanti da noi.

Nel 1994, però, il satellite BATSE, il cui principale scopo era quello di studiare i Gamma Ray Bursts, ha scoperto un altro tipo di raggi gamma. La principale differenza è che questi ultimi non sono prodotti da galassie lontane, ma hanno origine nell’atmosfera terrestre. Per questa ragione sono chiamati Terrestrial Gamma Ray Flashes (TGF).

Da un certo punto di vista è sorprendente che siano stati scoperti così recentemente, poiché sono i più potenti acceleratori di particelle presenti sul nostro pianeta. Le particelle accelerate in questi fenomeni raggiungono energie di 20 Mega electronvolt (MeV). Come termine di paragone, pensate che le particelle accelerate durante le aurore boreali sono mille volte meno energetiche.

Il meccanismo con cui i raggi gamma terrestri vengono accelerati è abbastanza chiaro: elettroni che viaggiano a velocità prossime alla velocità della luce nella zona più alta dell’atmosfera terrestre interagiscono coi nuclei ivi presenti e perdono la propria energia sotto forma di radiazione gamma (questo fenomeno è noto col nome di Bremsstrahlung).

In questa interazione possono creare anche altri elettroni, dando così vita a una sorta di cascata relativistica (si dice relativistica una particelle la cui velocità è vicina a quella della luce). Si pensa inoltre che gli elettroni iniziali riescano a raggiungere tali energie a causa di intensi campi elettrici, che ne causano l’accelerazione. Ma che cosa induce questo intensissimo campo magnetico? Non si sa. Almeno non ancora. La correlazione con attività temporalesche nella nostra atmosfera è dimostrata con coincidenze spaziali e temporali, ma il vero meccaniscmo che crea questo ambiente non è ancora del tutto noto. Per comprenderlo gli scienziati stanno cercando analogie con gli altri fenomeni che hanno luogo nella parte alta dell’atmosfera terrestre.

Nell’immagine qui a fianco li vedete riassunti schematicamente. I nomi che sono stati scelti per descriverli sono decisamente molto poetici. Si va dagli “spettri rossi” ai “getti blu” fino agli “elfi”, traduzione italiana di “elves” che in realtà è un acronimo per Emission of light and very low frequency perturbations due to EMP sources.

Si pensa per esempio che l’intenso campo elettrico possa essere dovuto alla separazione di carica che avviene nelle nuvole temporalesche (campi “DC”), che danno generalmente vita agli spettri rossi. Un’altra ipotesi, anche se non completamente slegata dalla prima, è che le scariche elettriche prodotte dai fulmini diano luogo a un impulso elettromagnetico (EMP) che causa l’inteso campo elettrico. Quest’ultimo fenomeno è spesso associato con la produzione degli elves. Questa seconda ipotesi è più plausibile, poiché il periodo di scarica dei TGF è troppo basso rispetto a quello degli spettri rossi, e si rende quindi complicato trovare una connessione tra questi due eventi.

Il satellite italiano AGILE ha recentemente pubblicato i suoi primi risultati riguardo i terrestrial gamma ray flashes. È possibile leggere i loro risultati qui. Nonostante AGILE sia dedicato allo studio dei raggi gamma di origine cosmica, ha fornito risultati interessantissimi per quello che riguarda i TGF. Hanno rivelato più di 4 eventi al mese e sono riusciti ad osservare fotoni (i famosi raggi gamma) con un’energia fino a 43 MeV.

Lo studio dello spettro energetico di questi fenomeni può aiutare enormemente per identificarne l’origine e comprendere a fondo il meccanismo di formazione. L’interesse della comuità scientifica per questi Gamma Ray così mistrattati finora, sta crescendo a vista d’occhio. Dopo il satellite italiano, la NASA sta progettando un satellite interamente dedicato allo studio dei TGF. Si tratta di un satellite piccolissimo (grande circa come una palla da calcio) chiamato Firefly (lucciola) il cui scopo sarà unicamente studiare i raggi gamma terrestri. Il lancio è previsto tra la fine del 2010 e il 2011.

La comprensione di questi eventi, è estremamente importante e ha un’applicazione diretta nella vita di tutti giorni. Nonostante queste scariche di raggi gamma siano confinate nella zona alta dell’atmosfera (sopra i 15 km di altezza), se una simile scarica energetica colpisse un aereo d’alta quota potrebbe portare a conseguenze disastrose.

Un impulso elettromagnetico di questa portata, infatti, potrebbe causare il malfunzionamento della maggior parte degli strumenti elettrici ed elettronici all’interno dell’aereo, compresi i sistemi di comunicazione. È certamente un’ipotesi plausibile che il recente incidente aereo avvenuto sull’Airbus 330 AirFrance possa essere collegato a questo tipo di emissioni gamma. Rimane solo una vaga ipotesi, ma è importante comprendere a fondo ciò che succede nell’ambiente in cui si vola.

I TGF sono fenomeni relativamente semplici da tenere sotto controllo. Le condizioni ambientali in cui si può formare un simile rilascio energetico sono molto particolari: un campo elettrico elevatissimo e un’ambiente temporalesco molto turbolento, e in genere non sono particolarmente frequenti. Ciò nonostante è di grande interesse comprendere a fondo questo tipo di fenomeni naturali e per quanto possibile tenerli sotto controllo.

7 Commenti »

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  • # 1
    Daniele
     scrive: 

    Ottimo articolo… però credo che il volo a cui ti riferisca fosse l’AF447 e quindi un Airbus A330.
    Giusto per il dovere di cronaca :)

  • # 2
    dargor17
     scrive: 

    Interessante, non ne avevo mai sentito parlare… Ma quindi questi flash gamma sono il prodotto del Bremsstrahlung di elettroni relativistici? Non mi tornano dei numeri, parli di 20 MeV di elettroni e di 40 MeV di gamma…

    Suppongo che “Ma che cosa induce questo intensissimo campo magnetico?” sia una svista…

  • # 3
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Per quanto riguarda le energie, tieni conto che i 43 MeV di cui parlo sono un evento. È l’energia massima misurata finora. Gli elettroni non vengono misurati con gli stessi strumenti con cui si misurano i fotoni. In particolare, in questo caso i raggi gamma sono misurati dai satelliti specializzati nella rivelazione dei GRB, quindi focalizzati nelle alte energie. Sappiamo che l’accelerazione degli elettroni nel campo magnetico presente nell’atmosfera è tale da conferirgli un’energia attorno ai 20 MeV, quindi compatibile con i raggi gamma osservati (in termini di ordine di grandezza).
    Perché la frase che hai citato dovrebbe essere una svista? Non lo è, ma forse mi sono spiegata male…

  • # 4
    dargor17
     scrive: 

    “Si pensa inoltre che gli elettroni iniziali riescano a raggiungere tali energie a causa di intensi campi elettrici, che ne causano l’accelerazione. Ma che cosa induce questo intensissimo campo magnetico?”
    Stai parlando di come gli elettroni raggiungano energie così elevate, nella riga sopra parli di campi elettrici, e in quella sotto diventano magnetici?

  • # 5
    StefanoA
     scrive: 

    Articolo molto interessante e ben fatto.

  • # 6
    viridisrock
     scrive: 

    Sono un gran bel rischio queste emissioni gamma per chi va in aereo.
    Pero’ la probabilita’ che vengano prodotti gravi danni all’aereo e’ bassa credo..

  • # 7
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    @dragor17
    Hai ragione, il passaggio non è chiaro. Quello che volevo dire è che quando un elettrone si muove, ovvero il campo elettrico non è costante ma cambia nel tempo, si crea automaticamente un campo magnetico (una carica in movimento genera sempre un campo magnetico), quindi le due cose sono collegate, ma non ho spiegato il passaggio. In particolare sappiamo che i campi elettrici che si creano tra le nuvole temporalesche sono molto intensi, le differenze di potenziale fanno muovere gli elettroni, e un elettrone in movimento perde la propria energia sotto forma di fotoni.
    @ viridisrock
    Per quanto riguarda l’aereo il possibile rischio è solo che la scarica elettrica sia così forte da mandare in tilt, anche se solo per pochi secondi, la strumentazione di bordo. Si tratta di energie in gioco molto più elevate rispetto ai fulmini, per cui può essere che gli strumenti ne vengano affetti. Quest’energia viene però scaricata attorno all’aereo, che agisce come una gabbia di Faraday, per cui non è pericoloso per le persone. Ci si è domandato se viaggiando in aereo si sia maggiormente sottoposti alla radiazione cosmica, e se questo possa essere pericoloso per chi viaggia frequentemente, come piloti o personale di bordo. Con misurazioni effettuate tramite dosimetri posti a bordo di molti voli transatlantici, però, si è visto che per l’uomo non cambia nulla essere sulla superficie o su un aereo per un certo numero di ore alla settimana…

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