Uno strumento costruito per studiare i raggi cosmici si è rivelato un potente mezzo per indagare i temporali. Osservazioni precedenti effettuate con il telescopio per muoni GRAPES-3 avevano rivelato che le nubi temporalesche possono sviluppare differenze di potenziale elettrico ben superiori a quelle mai misurate direttamente. Tuttavia, avevano anche messo in luce un enigma: lo strumento rilevava molti più eventi temporaleschi nella parte orientale del suo campo visivo rispetto a quella occidentale. Un nuovo studio condotto dallo stesso team, pubblicato su Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, ne ha ora spiegato il motivo.
Tale asimmetria non indica che i temporali siano effettivamente più frequenti a est. Dipende invece dal modo in cui il campo geomagnetico influenza i raggi cosmici che attraversano la magnetosfera terrestre, rendendo GRAPES-3 più sensibile ai temporali provenienti da alcune direzioni rispetto ad altre. Il risultato avvalora l’idea di utilizzare queste particelle dei raggi cosmici come sonda naturale per studiare l’elettricità dei temporali.
Raggi cosmici e muoni
I raggi cosmici sono un flusso continuo di particelle ad altissima energia che giungono sulla Terra dallo spazio profondo. La maggior parte dei raggi cosmici primari è costituita da protoni. Poiché sono dotati di carica elettrica, le loro traiettorie vengono deviate dal campo magnetico terrestre. Quando entrano nell’atmosfera, collidono con i nuclei atomici presenti nell’aria, generando sciami di particelle secondarie. Tra queste vi sono i muoni, particelle cariche di breve durata prodotte ad alte energie e che viaggiano a velocità prossime a quella della luce. “I raggi cosmici che rileviamo al suolo sono costituiti prevalentemente da muoni“, spiega Sunil Gupta del Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) di Mumbai, in India, uno degli autori dello studio. “Si tratta di particelle altamente penetranti”.
L’esperimento GRAPES-3
L’esperimento GRAPES-3, situato a Ooty (India), comprende un telescopio per muoni di 560 metri quadrati che registra circa 4 miliardi di muoni ogni giorno. I muoni positivi e quelli negativi non giungono al rivelatore in numero uguale. Poiché i raggi cosmici primari sono per lo più carichi positivamente, anche nell’atmosfera i muoni positivi sono più abbondanti. I fisici descrivono questo squilibrio utilizzando il rapporto di carica dei muoni – ovvero il rapporto tra muoni positivi e negativi – che normalmente è superiore a uno. Questo squilibrio consente a GRAPES-3 di fare qualcosa per cui non era stato originariamente progettato: sondare i temporali.
Usare particelle provenienti dallo spazio per osservare l’interno dei temporali
All’interno di una nube temporalesca, le cariche elettriche si separano, generando intensi campi elettrici che danno luogo a grandi differenze di potenziale. Quando i muoni attraversano queste regioni, il campo elettrico agisce sulle particelle positive e negative in modo opposto, generalmente rallentando i muoni positivi e accelerando quelli negativi. Se fosse presente un numero uguale di muoni positivi e negativi, questi effetti si annullerebbero a vicenda in gran parte, senza lasciare variazioni rilevabili nel flusso totale di muoni. “Se la natura fornisse un numero uguale di muoni positivi e negativi in tutto il campo visivo, non saremmo in grado di osservare il fenomeno temporalesco con l’attuale configurazione sperimentale”, spiega Hari Haran Balakrishnan del TIFR, primo autore del nuovo studio.
Tuttavia, poiché i muoni positivi sono più abbondanti, i temporali provocano una variazione piccola ma misurabile nel flusso totale di muoni, consentendo ai ricercatori di dedurre informazioni sul potenziale elettrico all’interno della nube temporalesca. “I muoni sono in realtà un dono ideale per condurre questo tipo di studi”, afferma Gupta. “Sono come una corrente elettrica che scorre attraverso l’atmosfera”.
In uno studio precedente, il team di GRAPES-3 aveva già ottenuto un risultato sorprendente. “Siamo riusciti a misurare un potenziale di 1,3 gigavolt in un temporale“, ricorda Gupta. L’idea che i temporali possano generare potenziali di questa entità non è nuova. Già negli anni Venti, il fisico Charles Thomson Rees Wilson, Premio Nobel nel 1927, ipotizzò che le nubi temporalesche potessero raggiungere tensioni così elevate. Tuttavia, le misurazioni dirette effettuate in precedenza avevano raggiunto solo circa 130 milioni di volt: un valore inferiore di oltre un ordine di grandezza.
Il mistero est-ovest
Tali osservazioni, tuttavia, hanno rivelato un altro risultato inatteso. Tra l’aprile 2011 e il dicembre 2020, GRAPES-3 ha rilevato 487 eventi temporaleschi. Di questi, l’81,5% è apparso nella parte orientale del campo visivo, mentre solo il 13,7% è stato rilevato a ovest: una differenza di quasi sei a uno. C’era qualcosa di insolito nelle condizioni meteorologiche locali? A quanto pare no. Utilizzando una rete indipendente di strumenti per il monitoraggio del campo elettrico atmosferico, i ricercatori hanno confermato che i temporali veri e propri non mostravano una simile predilezione per la direzione est.
La risposta risiede invece nell’effetto est-ovest, noto da quasi un secolo. Poiché le particelle cariche vengono deviate dal campo magnetico terrestre, i raggi cosmici carichi positivamente possono raggiungere l’atmosfera più facilmente da alcune direzioni rispetto ad altre. Le particelle positive a bassa energia provenienti da est vengono filtrate più intensamente rispetto a quelle provenienti da ovest. Questa soglia direzionale, nota come “cutoff” geomagnetico, varia in modo significativo all’interno del campo visivo di GRAPES-3.
Per verificare se ciò potesse spiegare l’asimmetria osservata, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer per modellare la produzione e la propagazione dei muoni attraverso l’atmosfera. Le simulazioni hanno mostrato che l’equilibrio tra muoni positivi e negativi varia a seconda della direzione: il rapporto di carica dei muoni è di circa 1,37 verso est e 1,14 verso ovest. “Non è che la tensione sia diversa“, spiega Gupta. I temporali che si verificano a est non sono necessariamente più potenti dal punto di vista elettrico. Piuttosto, il maggiore squilibrio tra muoni positivi e negativi in quella direzione rende GRAPES-3 più sensibile ai loro effetti elettrici.
Le simulazioni confermano questa spiegazione: quando si tiene conto del rapporto di carica dei muoni variabile in base alla direzione, emerge una marcata asimmetria est-ovest, simile a quella rilevata nelle osservazioni. Se invece si imposta lo stesso rapporto per entrambe le direzioni, l’asimmetria scompare. Comprendere questo fenomeno è quindi fondamentale per utilizzare GRAPES-3 come strumento affidabile per studiare l’elettricità dei temporali.
Dai raggi cosmici ai temporali
Le misurazioni dirette del potenziale elettrico all’interno delle nubi temporalesche sono notoriamente difficili. Richiedono generalmente l’impiego di strumenti trasportati da aerei o palloni sonda all’interno o in prossimità di temporali in corso, rendendo arduo il campionamento di un fenomeno vasto e in rapida evoluzione. I muoni offrono un approccio diverso: attraversano continuamente l’atmosfera e possono essere monitorati da terra. GRAPES-3 è stato realizzato per studiare le particelle provenienti dallo spazio e indagare la fisica dei raggi cosmici. Tuttavia, quelle stesse particelle stanno ora aiutando i ricercatori a comprendere uno dei fenomeni più familiari – eppure ancora sorprendentemente misteriosi – del nostro pianeta: i temporali.