Esplosioni solari nel computer

Minore è il tempo che intercorre tra due esplosioni nell'atmosfera solare, maggiore è la probabilità che la seconda eruzione sia più forte della prima. Il professor Hans Jürgen Herrmann dell'ETH e il suo team lo hanno spiegato con l'aiuto di modelli di calcolo. Le eruzioni solari rilasciano enormi quantità di energia, milioni di volte superiori alle esplosioni vulcaniche. Le forti esplosioni spesso provocano un'espulsione di massa dalla parte più esterna dell'atmosfera solare, la corona. Se un'espulsione di massa coronale colpisce la Terra, può scatenare una tempesta geomagnetica. Le tempeste gravi possono disturbare i satelliti, le comunicazioni radio e i sistemi elettrici. Nell'autunno 2003, quando si sono registrate alcune delle più forti eruzioni solari mai avvenute, è mancata la corrente nella Svezia meridionale e le rotte aeree sono state deviate perché i collegamenti di comunicazione con le regioni polari sono crollati.

I ricercatori del Fare all'ETH hanno studiato cosa succede durante le esplosioni sul Sole. Utilizzando un modello computerizzato, sono riusciti a riprodurre correttamente la distribuzione statistica delle dimensioni e la sequenza temporale delle eruzioni. "L'accordo con le misurazioni satellitari è impressionante", scrivono gli scienziati nella rivista Nature Communications. Il sole non è proprio il suo soggetto, dice Hans Herrmann, professore dell'Istituto dei materiali da costruzione. Il fisico teorico è specializzato in fisica computazionale e ha sviluppato un metodo che può essere utilizzato per studiare fenomeni in una vasta gamma di campi. Modelli simili alle eruzioni solari si possono trovare nei terremoti, nelle valanghe o nel mercato azionario.

Scarico intermittente

"Naturalmente, le esplosioni solari non hanno alcuna correlazione con i prezzi del mercato azionario", afferma Herrmann. Ma in fondo questi sistemi hanno tutti un comportamento simile: Possono essere catturati fino a quando non viene raggiunta una certa soglia. Poi si scaricano. La massa o l'energia immessa in un sistema non viene quindi rilasciata in modo continuo, ma a raffica, spiega Herrmann. Gli esperti parlano di criticità auto-organizzata. Un esempio è quello di un mucchio di sabbia su cui scorrono dei granelli. Il mucchio cresce fino a quando, di tanto in tanto, si libera una valanga. Le frane piccole sono più frequenti, quelle grandi meno. Chi siamo per lunghi periodi di tempo, il mucchio rimane alla stessa altezza; si organizza intorno a uno stato critico.

Durante i brillamenti solari, l'energia magnetica accumulata viene improvvisamente rilasciata. Il Sole è costituito da un plasma caldo di elettroni e ioni. Le linee di campo magnetico si sviluppano dalla superficie del sole, nota come fotosfera, fino alla corona solare. Si formano fasci di linee di campo, noti come tubi di campo magnetico, che si muovono e si attorcigliano. Quando due tubi si incrociano, si fondono (la fisica parla di ricombinazione) e si verifica un'esplosione che provoca la fuoriuscita di grandi quantità di radiazioni elettromagnetiche. L'area colpita del sole si illumina intensamente come un cosiddetto brillamento solare. Le radiazioni coprono l'intero spettro elettromagnetico, dalle onde radio e dalla luce visibile ai raggi X e ai raggi gamma.

È noto dalle osservazioni che la distribuzione delle dimensioni dei brillamenti solari segue statisticamente una certa legge: "Ci sono eventi di qualsiasi dimensione, ma sono arbitrariamente rari", dice Herrmann. In termini matematici, si tratta di una distribuzione di energia senza scala che segue una legge di potenza.

Sistema turbolento

Sebbene i modelli computerizzati precedenti fossero in grado di riprodurre qualitativamente questa distribuzione statistica delle dimensioni, non consentivano di fare affermazioni quantitative. Un modello basato sull'attraversamento dei tubi magnetici e quindi sulla criticità auto-organizzata trascurava un fatto importante, dice Herrmann: "Il sistema è turbolento"."Le linee di campo magnetico non si muovono a caso nella corona solare, ma sono ancorate al plasma turbolento della fotosfera, il cui comportamento può essere descritto con la fluidodinamica, la scienza del movimento di liquidi e gas. Tuttavia, i calcoli basati esclusivamente sulla turbolenza del plasma non sono in grado di riprodurre completamente i modelli osservati nel verificarsi delle eruzioni solari.

Herrmann e il suo team hanno quindi combinato criticità auto-organizzata e fluidodinamica, ottenendo una svolta. "Siamo riusciti a riprodurre l'intero quadro di come si verificano le eruzioni solari", afferma il ricercatore. Con settimane di calcoli su un supercomputer, il team è stato in grado di dimostrare che il loro modello forniva sempre risultati corretti, anche quando venivano modificati dettagli come il numero di tubi magnetici o l'energia del plasma. A differenza di precedenti esperimenti di altri ricercatori, i risultati concordavano anche quantitativamente con le osservazioni.

Dai loro calcoli, gli scienziati concludono: "La turbolenza e l'interazione tra i tubi magnetici sono le principali componenti fisiche che controllano il verificarsi dei brillamenti solari". Questa prova delle relazioni temporali-energetiche è il primo passo verso un modello di previsione. Tuttavia, Herrmann avverte: "Le nostre affermazioni sono di tipo statistico", quindi è possibile solo prevedere le probabilità. Non è possibile fare previsioni su singoli eventi.