Le tempeste solari di Halloween del 2003

Nell’ottobre del 2003, la Terra fu investita da una serie di tempeste solari tra le più intense degli ultimi decenni. Questi fenomeni, noti come le Tempeste di Halloween, restano tuttora un punto di riferimento per chi studia le interazioni tra Sole e Terra

di Luca Spogli

Il ciclo solare e il contesto del 2003

Il Sole attraversa cicli magnetici della durata di circa 11 anni, ciascuno numerato in sequenza. L’attività solare è spesso misurata dal numero di macchie visibili sulla sua superficie: più macchie, più il Sole è “eccitato”. Il 2003 si colloca nella fase discendente del ciclo 23, ma proprio durante quella fase si innescarono condizioni favorevoli ad eventi di grande energia.

L’attività solare viene identificata con il numero di macchie solari: tanto maggiore è il numero di macchie, tanto il sole è più attivo. Come è evidente dal grafico, il 2003 si trova sul fronte di discesa della curva del ciclo solare 23.

Cos’è una tempesta solare?

Quando il Sole è particolarmente attivo, può emettere plasma e radiazioni — fenomeni noti come flare ed emissioni di massa coronale (CME)che possono raggiungere la Terra, disturbando la ionosfera.  Questo sottile strato di elettroni e ioni che circonda la Terra è fondamentale per le telecomunicazioni: permette infatti il rimbalzo delle onde radio a grande distanza ed è attraversato dai segnali provenienti dai satelliti in orbita, tra cui quelli dei sistemi globali di navigazione satellitare GNSS (Global Navigation Satellite Systems), tra i quali il più noto è l’americano GPS (Global Positioning System).

Tra le tempeste magnetiche, talune (tempeste geoefficaci) sono così energetiche da riuscire ad esporre alcuni dei più importanti e moderni sistemi tecnologici a danni e malfunzionamenti di diverso tipo. Tra i sistemi più colpiti ci sono proprio quelli citati di posizionamento satellitare e i sistemi terrestri per le comunicazioni radio, ma anche le centrali elettriche e i satelliti orbitanti intorno al pianeta.

Le grandi tempeste solari, seppur rare, hanno comunque una probabilità di accadere che non può lasciare indifferenti, a causa del grande effetto che possono indurre sulla nostra società che sempre più fa affidamento alle moderne tecnologie vulnerabili ai forti starnuti del sole. Il pericolo più elevato è nelle regioni ad alta latitudine: qui si manifesta il fenomeno più affascinante che una tempesta solare porta con sé: quello delle aurore polari. Ma anche effetti alle latitudini nostrane potrebbero essere significativi qualora accadessero eventi estremi. Ecco perché si studiano questi fenomeni. Sempre più la comunità scientifica internazionale ha interesse nel prevedere questi eventi e all’occorrenza correre ai ripari per mitigarne gli effetti.

Le tempeste di Halloween

Una serie di esplosioni solari che hanno colpito la Terra tra il 19 ottobre e il 7 novembre del 2003 hanno generato le cosiddette tempeste di Halloween. Un aumento significativo dell’attività si osservò proprio intorno al 31 ottobre, da cui deriva il nome con cui sono note ai più.

Sono tra le tempeste più studiate in epoca contemporanea e, sebbene altri eventi molto intensi siano occorsi successivamente, nessuno di questi ne ha eguagliato durata, grado di forza e pericolosità. Sono inoltre ritenute interessanti poiché si sono verificate durante la fase discendente del ciclo solare. In queste condizioni, la probabilità che si verifichino fenomeni intensi è sicuramente minore rispetto al caso in cui ci si trovi con una attività solare prossima al massimo (con un numero di macchie solari più alto e con il Sole più attivo).

I fenomeni principali sono avvenuti a partire dal 26 ottobre e sono stati generati da tre grandi gruppi di macchie solari, la più estesa delle quali aveva una dimensione pari a 13 volte quella della Terra! Da questi gruppi sono partite ben 17 esplosioni solari chiamati “brillamenti”, seguite da espulsione di materia solare (“emissioni di massa coronale”). Le particelle emesse hanno investito la Terra innescando tra le tempeste magnetiche più intense degli ultimi 70 anni.

Aurore oltre il Circolo Polare

Ecco alcune immagini del Sole e degli eventi di quei giorni, riunite in un unico video (Crediti: NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio).

Si è detto che l’effetto più mirabile di una tempesta solare sulla Terra è l’apparizione delle aurore nelle regioni più a Nord e a Sud del pianeta. Che un’aurora sia uno spettacolo da ammirare al freddo della notte artica è conoscenza condivisa da molti. Ma cosa dire quando ci si trova ad ammirare un tale spettacolo della Natura nei cieli sopra il deserto del Texas o sopra le palme della Florida? Ecco quello che è successo nei giorni delle tempeste di Halloween: le esplosioni solari sono state talmente forti da far sì che la zona dell’atmosfera solitamente esposta all’ingresso di particelle provenienti dallo spazio migrasse verso latitudini più basse, fino a raggiungere quelle del sud degli Stati Uniti.

Questa è una foto scattata in quei giorni proprio in Texas.

I danni registrati nel 2003

I danni principali registrati durante l’autunno caldo del 2003 a causa delle “Halloween storms” sono stati molteplici:

• Gli astronauti della Stazione Spaziale Internazionale furono costretti ad entrare nel modulo di protezione da radiazioni.
• A Malmö, in Svezia, ci fu un black-out elettrico durato un’ora e mezza che ha lasciato circa 50’000 cittadini senza corrente.
• In Sud Africa, 15 trasformatori della rete elettrica nazionale sono stati danneggiati.
• Valori anomali di corrente elettrica sono stati registrati nelle linee del Wisconsin e dello stato di New York.
• Le rotte aeree al di sopra dei 57° di latitudine sono state interdette a causa dei possibili rischi dovuti al malfunzionamento del posizionamento satellitare e dei sistemi di telecomunicazioni radio.
• La sonda di esplorazione marziana “Mars Odissey” è dovuta entrare in “safe mode”. E’ questa una modalità di protezione dei sensori presenti a bordo prevista proprio per limitare i possibili danni dovuti all’aumento di radiazioni.

Il monitoraggio in Artide

L’INGV è da molti anni in prima linea a livello internazionale per lo studio e la previsione degli effetti delle tempeste solari sulla parte più alta dell’atmosfera terrestre che, esposta ai fenomeni di disturbo solari, può diventare un ostacolo alla chiara ricezione dei segnali GNSS a terra. L’INGV ha installato il suo primo ricevitore nel settembre del 2003. La strumentazione è dedicata agli studi delle condizioni ionosferiche e i segnali GNSS, a Ny-Ålesund, alle isole Svalbard (Norvegia). Giusto in tempo per vedere e raccogliere dati sulle tempeste di Halloween!

Cosa ha registrato la nostra strumentazione

Il nostro ricevitore ha registrato alcuni disturbi tra le 15 e le 21 (ora di Greenwich) del 30 ottobre 2003. I segnali registrati proprio nel cuore delle tempeste di Halloween, sono risultati molto evidenti. Già disturbi di debole entità (in arancione in figura) possono portare importanti malfunzionamenti nei sistemi GPS. Essenzialmente tali disturbi sono dovuti al mancato collegamento con il satellite, diminuendo così la precisione del posizionamento.

Il primo ricevitore (e la sua antenna) è ancora lì, operativo nella base “Dirigibile Italia”, gestita dal Consiglio Nazionale delle Ricerche nelle lontane isole Svalbard. Continua a registrare le variazioni di una ionosfera disturbata dal respiro del Sole, perturbando i preziosi segnali usati per il posizionamento satellitare.

Per approfondimenti ecco alcuni articoli divulgativi:

• Holy Zell, “Halloween Storms of 2003 Still the Scariest”, https://www.nasa.gov/topics/solarsystem/features/halloween_storms.html
• “Remembering the Great Halloween Solar Storm”, https://www.ncei.noaa.gov/news/great-halloween-solar-storm-2003
• Giorgiana De Franceschi, Luca Spogli, Lucilla Alfonsi, Vincenzo Romano, “La quiete durante la tempesta”, Newton n°23.