Nella notte dello scorso 10 Maggio 2024, in conseguenza di alcune violentissime eruzioni solari, i cieli della Terra si sono arrossati fin quasi all’equatore. Vediamo di capire bene la causa dello straordinario fenomeno.

Il 3 Maggio 2024 dal bordo orientale del Sole è emerso il modesto gruppo di macchie denominato AR3664 che però, tra il 7 e l ‘8 maggio ha raddoppiato le dimensioni, per poi trasformarsi nei giorni    successivi, in uno dei massimi complessi di macchie che si ricordino (200 mila km ovvero 15 diametri terrestri!), paragonabile alla famosa perturbazione che venne osservata il 1° Settembre 1859, dall’astrofilo inglese Richard Carrington (Carrington, 1859)

Carrington 1859) e che produsse impressionanti fenomeni geomagnetici (aurore anche a basse latitudini ed ore di interruzioni telefoniche). Il complesso AR3664 è tramontato definitivamente dietro il bordo occidentale del Sole il 12 Maggio 2024 dopo aver prodotto una fenomenologia assolutamente straordinaria (Fig01), in particolare una serie di brillamenti (esplosioni per neutralizzazione di qualcuno dei molti campi magnetici intrecciati all’interno della AR3664).

1) 10 Maggio 2024: la complessa regione attiva AR 3664 ripresa alle h 17 locali con una camera digitale applicata al fuoco diretto di un telescopio C8 (focale 2000). Da notare la somiglianza con una macchia analoga che venne disegnata nel 1864 dall’ astrofilo Carrington.

Alle h 11:18 del 9 Maggio c’è stato un brillamento eccezionale di classe X3.9 (su un max di 10) (Fig02): la classe X è la più energetica in assoluto, preceduta da M, B e C (ognuna 10 volte meno energetica della precedente). Ancora più intenso un brillamento di classe X5.8 verificatosi alle h 3:39 dell’11 Maggio. Ne sono conseguite forti perturbazioni nelle trasmissioni radio ad onde corte (<20 MHz) su Europa ed Asia ed anche l’emissione consecutiva (evidenziata dal satellite SOHO) di ben 6 CME (Emissione di Massa Coronale). Tre di queste CME si sono riunite in una cosiddetta ‘Cannibal CME’ (si dice così quando CME con velocità diversa si raggiungono e si sommano) che tra il 10 e l’11 Maggio 2024 ha innescato una tempesta geomagnetica (perturbazione del campo magnetico terrestre) di classe G4 (su 5), che ha prodotto imponenti fenomeni aurorali (forse i maggiori in 500 anni) in Europa ed USA e, addirittura, fino a 20° di Latitudine sia boreale (Portorico) che australe (Nuova Caledonia). Per inciso la NOAA utilizza un sistema a cinque livelli chiamato scala G (dove G sta per Geomagnetic), per indicare in modo rapido la intensità dell’attività geomagnetica sia osservata che prevista. La scala spazia da G1 a G5, con G1 che è il livello più basso e G5 che è il più alto.

2) 8-9 Maggio 2024: due violenti brillamenti emessi dalla regione attiva AR 3664 ripresi in ultravioletto dallo strumento AIA a bordo della sonda SDO.

Va ricordato che le aurore polari (boreali e australi) sono dovute al fatto che le linee di forza del campo magnetico terrestre, che attraversano la superficie terrestre (quindi anche l’atmosfera) in corrispondenza del circolo polare (66° Lat.), veicolano le particelle solari attorno ai poli formando una specie di anello, chiamato l’ovale aurorale (Fig03). Questo anello è centrato sul polo magnetico (spostato di circa 11°rispetto dal polo geografico) ed ha un diametro di 3000 km. Gli ovali aurorali si trovano quindi generalmente tra 60° e 70° di latitudine nord e sud, il che spiega perché le aurore si vedono normalmente nelle regioni nordiche. Le particelle che si muovono verso la Terra colpiscono l’Ossigeno ed Azoto atmosferico, facendo loro emettere, per eccitazione, radiazioni luminose dalle lunghezze d’onda caratteristiche.

3) Così si presentava il cerchio aurorale boreale nella notte tra il 10 e l’11 Maggio 2024. Come si vede, la probabilità di aurore si estendeva ben al di fuori del circolo polare.

Le dimensioni del’anello aurorale, quindi la sua estensione verso latitudini più meridionali è formalmente legata ad un parametro specifico definito Kp, che esprime (con una scala che va da 1 a 9) l’intensità del vento solare in funzione delle perturbazioni indotte nella magnetosfera terrestre (https://www.swpc.noaa.gov/products/planetary-k-index) (Matzka, 2021)

Quando il Kp è basso, attorno a 1-2, anche nei Paesi nordici l’aurora non è che una debole fascia luminosa nel cielo, quasi priva di colore all’osservazione a occhio nudo.

La soglia minima per vedere bene il colore verde è il Kp3: qui l’aurora è un nastro verde brillante che si muove lentamente nel cielo notturno, dando l’impressione di ondeggiare e spostarsi fra le stelle. In queste condizioni l’occhio nudo percepisce a stento il colore verde a causa della sua debolezza. Non così le moderne camere digitali, che percepiscono benissimo la radiazione aurorale anche se molto debole. Anzi, nell’incertezza visiva che una luminescenza sia aurorale o no, basta un’immagine digitale per togliere qualunque dubbio!

A Kp 4 e 5 (G 1) l’aurora aumenta di intensità, dinamismo ed estensione: l’occhio nudo riesce a scorgere bene, oltre al verde divenuto molto intenso, anche il colore rosso e il blu (quando presente). L’agitazione dell’aurora in cielo è rapida, con repentini cambi di direzione dei giochi di luce, mentre l’estensione può arrivare a coprire la metà del cielo. L’acqua dei fiordi o dei laghi riflette distintamente le luci dell’aurora, quindi riprendere immagini sulla riva di un lago fornisce risultati doppiamente spettacolari. (Fig04)

4) 19 Settembre 2014: aurore multicolori riprese dall’autore sul lago Inari, nella Lapponia finlandese.

Quando la scala Kp raggiunge il valore di 8 e 9 (G 5), l’aurora è estremamente estesa verso Sud, tanto da arrivare ad essere visibile dal centro Europa/Italia. Ebbene, tra il 9 e il 12 Maggio 2024, l’indice Kp si è alzato fino a raggiungere il livello massimo, pari a 9, per ben tre volte! (Fig05)

Più questo indice è alto, più vengono influenzati satelliti, sistemi di comunicazione, navigazione.

La lettera ‘K’ ha origine dalla parola tedesca Kennziffer che significa “numero caratteristico” ed è stato introdotto da Julius Bartels nel 1938. Venne  adottato dalla IAGA (International Association of Geomagnetism and Aeronomy) nel 1939.

5) Il 10 Maggio 2024 l’indice aurorale Kp ha sfiorato per ben tre volte il valore 9, una indicazione di eccezionale tempesta magnetica.

La luminosità aurorale è debole e (ovviamente) invisibile nella parte diurna, ma diventa molto importante nella parte notturna grazie ad una fenomenologia solo di recente compresa.  In sostanza il vento solare schiaccia sul davanti la magnetosfera terrestre, mentre la stira come la coda di una … cometa nella parte notturna: qui le linee di forza a polarità opposta si incontrano e si neutralizzano spingendo gli elettroni intrappolati ad altissima velocità contro la regione polare notturna, che viene quindi fortemente eccitata ad emettere luce aurorale (Fig06). (Schroeder, 2021)

Il fenomeno aurorale del 10 Maggio 2024, ha prodotto migliaia di immagini da tutto il mondo, raccolte soprattutto su questo sito https://spaceweathergallery2.com/index.php?title=aurora.

6) Uno schema del meccanismo di formazione di aurore notturne. Sotto l’influsso del vento solare, dietro la Terra, le linee di forza a polarità opposta della magnetosfera prima si ‘stirano’ e poi si neutralizzano liberando energia sufficiente a rilanciare gli elettroni del vento solare indietro, contro l’atmosfera polare notturna della Terra.

È stata coinvolta pesantemente anche la Provincia di Varese, dove gli astrofili locali si sono letteralmente…scatenati.  A Tradate, a partire dalle 21,30 e fino alle 23, ossia fin quando l’orizzonte Nord si è mantenuto sereno, è stato possibile osservare e fotografare una serie di spettacolari aurore tinteggiate di un bellissimo colore rosso fiamma. Lo dimostrano alcune bellissime immagini (Fig07) che Danilo Roncato (Rione Ceppine) ha ripreso verso Nord sulla strada da Tradate a Lonate Ceppino, dalle 22 alle 23, con un grandangolo da 24 mm e pose di 1-2 secondi a 1000-1500 ISO: il colore rosso dell’aurora, con la classica tendenza a strisce verticali, si sovrapponeva magnificamente alle stelle della regione polare (Cassipea, Cefeo ed Orsa Minore), persistendo fino verso le 23, quando una densa nuvolaglia ha nascosto il fenomeno.

7) 10 Agosto 2024: la regione Nord del cielo di Tradate (Va) ripresa attorno alle 22,30 locali con obiettivo da 28 mm e posa di 1 sec a 1000 ISO, nel momento del massimo arrossamento aurorale (immagine di Danilo Roncato).

Come spiegheremo meglio in seguito, il colore rosso (emissione a 630 nm ossia 0,63 micron) indica che l’aurora era prodotta da una violenta eccitazione dell’Ossigeno atmosferico a quota molto alta (oltre 300 km), inizialmente partita dalle regioni polari ma poi, data la grande altezza, divenuta visibile anche da noi. Contemporaneamente Paolo Bardelli, da Sumirago, ha ripreso un cielo tinteggiato di rosso al di sopra di un passaggio intermittente di nuvole basse (Fig08).

8) 10 Agosto 2024: il rosso dell’aurora emergente dalle nuvole, nel cielo settentrionale di Sumirago (Va) (immagine di Paolo Bardelli)

La notte seguente, sempre Paolo Bardelli, ha ripreso una ormai debole luminescenza (percepibile bene solo fotograficamente) dal belvedere del Campo dei Fiori di Varese. Alle h 11:44 del 13 Maggio, la AR 3664 che ormai stava tramontando, ha prodotto un nuovo brillamento di classe X8.7 (!!), che ha raggiunto (ma ovviamente solo di striscio) la Terra tra il 14 e il 15 Maggio con la produzione di modeste tempeste geomagnetiche di classe G1-G2: ne sono testimonianza alcune immagini di cielo rosso-violaceo tra le nuvole, riprese da Paolo Bardelli da Sumirago.  Però la stessa macchia era rivolta quasi direttamente verso il pianeta Marte (lo testimoniano alcune immagini del Sole riprese il 15 Maggio dal rover Perseverance): per cui anche lì ha prodotto aurore dal 17 al 20 Maggio, come ben evidenziato dalla sonda orbitale MAVEN (Fig09)

9) 17 Maggio 2024: aurora diffusa in tutta l’atmosfera marziana, ripresa dallo strumento IUVS (Imaging Ultraviolet Spectrograph), a bordo della sonda orbitale MAVEN. A produrla è stata la regione attiva AR 3664, che tramontata sul disco solare visibile da Terra il 12 Maggio 2024, era rimasta invece ben visibile da Marte il 15 Maggio, tanto è vero che venne facilmente ripresa dal rover Perseverance.

Tenendo presente che, non avendo Marte un campo magnetico dipolare, le aurore marziane si sviluppano a livello globale, seppur molto debole a causa del fatto che l’atmosfera marziana è molto rarefatta (e costituita da CO₂ con minime tracce di Ossigeno). Lo scorso 5 Novembre 2023 un brillamento di classe M proveniente dalla AR 3477 (una macchia che era stata vista in anticipo sul lato opposto del Sole dalla sonda Perseverance a lavoro su Marte!) aveva prodotto una tempesta geo-magnetica di classe G2, con aurore rosse visibili per qualche minuto anche a basse latitudini, seppur imparagonabili a quanto successo lo scorso 10 Maggio 2024.

Il protagonista principale delle aurore è l ‘ Ossigeno atomico (Fig10).

10) Uno schema di come l’Ossigeno atomico produce i classici colori aurorali verde e rosso (vedi testo per dettagli)

Quando un atomo di Ossigeno viene colpito da una particella solare (sostanzialmente un elettrone) di alta energia (almeno 13,6 eV) il risultato è una ionizzazione, ossia la perdita definitiva di un elettrone di legame e la trasformazione in uno ione (Ossigeno) carico positicamente. Questo però è un evento rarissimo.  In genere l’energia solare incidente è molto più modesta.  Un’ energia incidente di 4,17 eV riesce a spostare un elettrone di un atomo di Ossigeno dal livello fondamentale fino al secondo livello eccitato.  Invece un’energia di 1,96 eV riesce a sollevare un elettrone dell’Ossigeno solo al primo livello eccitato (Fig11).  In ogni caso si tratta di due situazioni INSTABILI, perché un elettrone eccitato tende sempre a tornare verso lo stato fondamentale: così facendo perde l’energia acquisita sotto forma di radiazione luminosa.

11) Un elettrone energetico solare può urtare un elettrone di un atomo di Ossigeno, eccitandolo a salire ad un livello superiore, instabile. Da qui l’elettrone tende naturalmente a ritornare al livello fondamentale, emettendo energia luminosa.

La permanenza di un elettrone nel secondo livello eccitato è molto breve (0,74 sec), per cui questo elettrone scende quasi immediatamente al livello inferiore (ossia il primo livello eccitato) emettendo una radiazione VERDE a 557,7 nm: si tratta della classica colorazione VERDE che domina tutte le aurore polari.  Dal primo livello eccitato un elettrone DEVE scendere al livello fondamentale   emettendo un’altra radiazione classica: la luce rossa a 630 nm (livello di minima energia) e a 636,4 nm (livello di energia leggermente superiore). Questo perché il livello fondamentale è a sua volta suddiviso in tre sotto-livelli minori.  Ci si potrebbe chiedere perché un elettrone dal secondo livello non scende direttamente al livello fondamentale (emettendo luce UV a 297,2 nmA). La risposta è complessa: in ogni caso sono certe regole della quanto meccanica ad impedire questo passaggio diretto.  È molto importante aggiungere che la vita media di un elettrone eccitato nel primo livello è di ben 110 secondi.  Questo fa sì che se la quota di atmosfera è abbastanza bassa (diciamo inferiore a 150 km) la densità gassosa è così elevata che sono gli urti stessi delle molecole circostanti a far perdere energia ad un atomo di Ossigeno con elettrone eccitato a primo livello, impedendo l’emissione di luce rossa.  Nel caso invece che la quota sia molto alta (diciamo superiore a 300 km) l’atmosfera è così rarefatta da non riuscire a togliere energia ad un atomo di Ossigeno eccitato al primo livello, lasciandogli tutto il tempo di diseccitarsi emettendo luce rossa.  Questo spiega perché in generale, quando si osserva un’aurora boreale dalle parti del circolo polare, la dominante emissione verde è sempre situata nella parte inferiore, mentre l’eventuale porzione rossa è sempre nella parte superiore.  Va aggiunto, per completezza, che in presenza di forte attività solare anche l’Azoto molecolare può emettere luce aurorale, con un meccanismo simile ma più complicato rispetto all’ Ossigeno.  Sotto i 100 km emette nel rosso a 650 nm soprattutto l’N2 neutro. Sopra i 100 km emette invece l’N2+ (idrogeno molecolare ionizzato) nel blu a 427,8 nm e nel viola a 391,4 nm.

Se l’attività solare è molto intensa, può essere che l’emissione rossa dell’Ossigeno atomico raggiunga altezze talmente elevate (3-400 km), da diventare VISIBILE anche a latitudini molto inferiori a quelle classiche del circolo polare, quindi raggiungere per esempio il cielo settentrionale del centro Europa e il centro America. Questa può essere l’interpretazione fisica delle grandi aurore rosse emerse un po’ dovunque nella notte del 10 Maggio 2024. Come accennato, successe così anche il 5 Novembre 2023 e, più in passato, nella ormai lontana notte del 23 Ottobre 2001. Ma nel caso specifico del 10 Maggio 2024, c’è qualcosa che non torna. Come accennato infatti il cielo infatti è diventato rosso fiamma anche a latitudini bassissime (persino sulle Hawaii a Lat=18-28°N!) e in zone del cielo anche abbastanza distanti dal Nord geografico. C’è il sospetto quindi che più di un’aurora classica si sia trattato di una SAR (Stable Auroral Red arc), un fenomeno in cui l’Ossigeno viene eccitato in maniera simile, ma con un meccanismo completamente differente.  Mentre in un’aurora classica, come ricordato, l’Ossigeno interagisce con le particelle energetiche solari veicolate sul circolo polare dal campo magnetico terrestre, in una SAR ad eccitare l’Ossigeno sono le particelle energetiche intrappolate nella più interna delle due fasce di Van Allen. Le fasce di Van Allen sono due ciambelle ricolme di particelle energetiche di origine solare (soprattutto elettroni e protoni) stabilizzate dal campo magnetico terrestre e giacenti grosso modo sopra l’equatore.  La fascia più esterna va da 13.0000 a 65.000 km, mentre più interna si trova normalmente tra 1000 e 12.000 km. Ma in conseguenza di un’attività solare molto intensa (ovvero di tempeste geomagnetiche di classe G 3-4) la fascia più interna può essere irrobustita da ulteriori particelle cariche e    schiacciata fino a 2-300 km di altezza, arrivando a sfiorare la parte più alta e rarefatta dell’atmosfera terrestre, dove domina l’Ossigeno atomico (Fig12).

12) Uno schema delle fasce di Van Allen, due ciambelle di elettroni energetici intrappolate nella magnetosfera terrestre. In conseguenza di un forte flusso di particelle solari, la fascia inferiore può abbassarsi fino a rasentare l’alta atmosfera terrestre dove, incontrando gli atomi di Ossigeno, ne stimola una emissione luminosa rossa con un meccanismo pseudo-aurorale definito SAR (Stable Auroral Red arc).

Si innesca a questo punto un meccanismo simil-aurorale, in cui le particelle energetiche della prima fascia di Van Allen spingono un elettrone dell’Ossigeno a salire nel primo livello eccitato: il successivo naturale decadimento al livello principale comporta l’emissione di una intensa radiazione rossa a 630 nm.  Va anche detto che il rosso SAR è normalmente omogeneo, senza le strutture a tendaggi verticali delle aurore classiche (che sono una chiara traccia delle linee di forza del campo magnetico).  In realtà nelle immagini realizzate a Tradate (ma anche quasi dovunque altrove) queste strutture verticali si intravedono abbastanza nettamente.  Il che permette di concludere che, forse, a rendere vistosissimo il fenomeno del 10 Maggio 2024 potrebbe essere stato, in realtà, l’accumulo di due fenomenologie aurorali differenti: una di tipo classico e l’altra di tipo SAR.

Bibliografia essenziale:

• • Karoly Kerenyi – R.C. Carrington Description of a Singular Appearance seen in the Sun on September 1, 1859 MNRAS, 20, pp14, 11 Nov. 1859)
  • Matza J. et al, The Geomagnetic Kp Index and Derived Indices of Geomagnetic Activity Space Weather, 19, e2020SW002641 (2021)
  • Schroeder R.W. et al. Laboratory measurements of the physics of auroral electron acceleration by Alfvén waves NATURE Comunication, 12, 3103 (2021)
  • Young-Sook Lee et al. Observation of atomic oxygen O(1S) green-line emission in the summer polar upper mesosphere associated with high-energy (≥30keV) electron precipitation during high-speed solar wind streams J. Geophys. Res. Space Physics, 122, 1042–1054 (2017)

Autore: Cesare Guaita