Studiare i temporali con i raggi cosmici, così la fisica aiuta il meteo

Studiare i temporali coi raggi cosmici? Si può fare! Un team di esperti ha confermato che il telescopio Grapes-3 (Gamma Ray Astronomy PeV EnergieS phase 3), situato a Ooty in India, può registrare le nubi temporalesche e misurare le differenze di potenziale elettrico al loro interno in modo affidabile e più efficace rispetto a quanto riescano a fare i metodi tradizionali. Gli scienziati sono infatti riusciti a risolvere un’apparente anomalia nei dati, da cui sembrava che la stragrande maggioranza degli eventi apparisse nella porzione orientale del campo visivo dello strumento. Lo studio è pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).

Come Grapes-3 “vede” i temporali

Il telescopio Grapes-3 non è nato per studiare i temporali, ma il modo in cui i raggi cosmici, particelle ad altissima energia provenienti dallo Spazio, interagiscono con la Terra. Quando le particelle primarie, composte per lo più da protoni con carica elettrica positiva, entrano nell’atmosfera, urtano i nuclei atomici degli elementi dell’aria e generano sciami di particelle secondarie. Tra queste vi sono i muoni, particelle cariche di breve durata ma dotate di un elevato potere penetrante, capaci di giungere fino al suolo. Proprio l’alterazione del flusso di muoni è ciò che consente di individuare i temporali e estrapolare informazioni molto importanti sia per comprendere sempre meglio il fenomeno sia per prevedere la formazione dei fulmini e migliorare i sistemi di allerta meteorologica, a tutela delle attività umane. 

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Muoni tra le nuvole

Dato che all’interno delle nubi temporalesche le cariche elettriche si separano, creando grandi differenze di potenziale elettrico, la velocità dei muoni che le attraversano cambia: quelli carichi negativamente vengono accelerati, mentre quelli carichi positivamente vengono rallentati. E siccome i muoni positivi in atmosfera sono più numerosi di quelli negativi, il campo elettrico temporalesco produce una variazione misurabile del flusso totale di muoni registrato a terra. Le registrazioni effettuate finora avevano misurato potenziali enormi, fino a 1,3 gigavolt, superando di un ordine di grandezza le misurazioni dirette con aerei o palloni sonda e confermando invece le intuizioni di Charles Thomson Rees Wilson, premio Nobel per la fisica negli anni Venti.

Un mistero svelato

È così che tra il 2011 e il 2020 Grapes-3, che si estende su una superficie di 560 metri quadrati e capta ogni giorno 4 miliardi di muoni, ha registrato 487 temporali. Ma qualcosa sembrava stonare: oltre l’81% degli eventi appariva nella porzione orientale del campo visivo del detector. Come mai? Verifiche condotte con sensori elettrici atmosferici indipendenti hanno escluso motivazioni meteorologiche. La causa dell’asimmetria non era una maggiore frequenza di temporali a est, ma – come hanno ora scoperto i ricercatori anche attraverso simulazioni informatiche – una diversa sensibilità dello strumento nelle due direzioni. La soluzione dell’enigma risiede nel cut-off geomagnetico, cioè la soglia di sbarramento con cui il campo magnetico terrestre devia le particelle cosmiche cariche che provengono dallo Spazio: schermando le particelle positive a bassa energia in modo più marcato da est rispetto a ovest, aumenta lo squilibrio di carica tra muoni positivi e negativi e rende Grapes-3 molto più sensibile ai campi elettrici temporaleschi verso est.

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