La misteriosa radiazione esplode minacciando l’equipaggio

Il 3 ottobre 2015, un jet di ricerca Gulfstream V appartenente alla National Science Foundation ha registrato un massiccio picco di radiazioni atmosferiche mentre sorvolava l’Atlantico meridionale tra l’Antartide e la punta del Sud America. Per 11 minuti, il suo rilevatore di radiazioni di bordo ha osservato i livelli raddoppiati, come se l’aereo avesse volato attraverso una nuvola di radiazioni.

Non è stato l’unico incidente. Dal 2013, i rilevatori aerotrasportati hanno registrato 57 esplosioni di radiazioni simili, ciascuna della durata compresa tra dieci minuti e un’ora.

Le osservazioni hanno sollevato interrogativi significativi, non da ultimo sui rischi per l’equipaggio e il funzionamento sicuro dell’elettronica aviotrasportata. Ma soprattutto, gli scienziati vogliono sapere cosa causa queste esplosioni di radiazioni.

Dose di radiazioni

Oggi abbiamo una risposta grazie al lavoro di Kent Tobiska presso Space Environment Technologies in California, e ai colleghi, che hanno studiato gli incidenti e pensano di conoscere la fonte di radiazione.

Il loro lavoro solleva importanti domande sulla sicurezza dei viaggiatori abituali come l’equipaggio e su come proteggerli da eventi che “sono analoghi agli aerei che volano attraverso nuvole di radiazioni”, affermano Tobiska e co.

Gli scienziati spaziali sanno da tempo che la Terra è bombardata dallo spazio da un flusso costante di radiazioni ad alta energia provenienti da oltre il Sistema Solare, chiamati Raggi Cosmici Galattici, e da esplosioni più sporadiche del Sole chiamate Particelle Energetiche Solari. Questa radiazione generalmente assume la forma di elettroni ad alta energia, protoni e particelle alfa.

La Terra è protetta da queste particelle dal campo magnetico del Sole, che rallenta gran parte della radiazione galattica in entrata, e dal suo stesso campo magnetico in alto sopra l’atmosfera, che incanala le particelle cariche verso i poli.

Tuttavia, le particelle ad alta energia riescono ancora a raggiungere l’alta atmosfera a circa 100 km dove si scontrano con atomi di ossigeno e azoto creando elettroni e fotoni di energia inferiore che precipitano in reazioni a catena nella bassa atmosfera. Queste cascate raggiungono un’intensità massima ad altitudini di circa 20 km ma sono costantemente assorbite a quote inferiori dall’atmosfera più densa.

Gli aerei commerciali operano ad altitudini fino a circa 10 km e quindi subiscono una dose maggiore di questa radiazione rispetto al suolo. La preoccupazione è che questo tipo di radiazioni possa ionizzare gli atomi e fare a pezzi il DNA, causando potenzialmente problemi di salute come il cancro. Può anche interferire con gli strumenti elettronici.

Quindi qualsiasi nuova fonte di radiazioni ionizzanti è una preoccupazione significativa.

Sebbene le radiazioni siano un problema ben noto ad alta quota da decenni, non c’è stato alcun tentativo di monitorarlo continuamente su scala globale. Così, nel 2012, varie agenzie statunitensi hanno iniziato a sviluppare un sistema di monitoraggio globale in tempo reale per misurare i livelli. Il sistema è stato chiamato programma ARMAS (Automated Radiation Measurements for Aerospace Safety) e la società di Tobiska, Space Environment Technologies, ha svolto un ruolo chiave in esso.

Da allora, il programma ha effettuato centinaia di migliaia di misurazioni delle radiazioni durante 599 voli in tutto il mondo.

Ben presto è diventato chiaro che il livello di fondo delle radiazioni non è affatto costante. Invece, vari velivoli di monitoraggio hanno subito improvvisi e rapidi aumenti delle radiazioni che si sarebbero estinti in tempi relativamente brevi.

Tobiska e compagni concentrano la loro analisi su 57 eventi di questo tipo.

Per prima cosa hanno confrontato le esplosioni di radiazioni con letture di fondo in altre parti del pianeta per escludere la possibilità che la colpa fosse di una tempesta solare o di un aumento dei raggi cosmici galattici. Non hanno riscontrato alcun aumento dell’attività altrove.

Chiaramente questa radiazione veniva generata più vicino a casa e solo su piccole aree. A giudicare dalla velocità dell’aereo, queste macchie di radiazioni coprono aree non superiori a 1000 km di diametro.

Catturare il colpevole

L’ovvio colpevole erano le cinture di radiazione di Van Allen della Terra, la parte della magnetosfera che intrappola le particelle cariche ad alta energia creando un oceano di plasma ad alta quota. Come qualsiasi altro oceano, questo plasma è colpito dalle condizioni ambientali il tempo spaziale sotto forma di variazioni del campo magnetico solare e di tempeste solari.

Questo genera turbolenza e crea potenti onde plasma. Sono queste onde del plasma, chiamate onde di ciclotrone di ioni elettromagnetici, che Tobiska e colleghi pensano siano la fonte delle esplosioni di radiazioni.

Questo perché le particelle cariche possono navigare sulle onde di ciclotrone di ioni elettromagnetici, diventando enormemente accelerate. Qualsiasi particella che sfugge lo fa come potenti esplosioni di radiazioni ad alta energia. In effetti, gli acceleratori di onde plasmatiche sono una tecnologia emergente per i collisori di particelle di prossima generazione.

Ma le esplosioni si dirigono solo verso il basso, verso la superficie terrestre, dove il campo magnetico terrestre inizia a puntare all’indietro verso la superficie. E questo accade solo alle alte latitudini. A quanto pare, una delle caratteristiche dei picchi di radiazione osservati è che si verificano solo ad alte latitudini.

Il team ha anche scoperto che i picchi di radiazione tendevano a coincidere con periodi di turbolenza meteorologica spaziale, che promuovono condizioni in cui possono formarsi onde di ciclotrone di ioni elettromagnetici. È anche possibile vedere le prove di queste onde da terra.

“Le prove indicano il [radiation] fascio prodotto ad altitudini più elevate da elettroni relativistici incidenti provenienti dalle cinture di radiazione di Van Allen e che sono stati generati dall’onda di ciclotrone di ioni elettromagnetici”, affermano Tobiska e co.

Le conseguenze sono significative. Per molti anni, gli scienziati hanno calcolato i tassi di fondo delle radiazioni ad alta quota e hanno elaborato limiti di sicurezza sul tempo che l’equipaggio dovrebbe trascorrere in queste condizioni. Ciò consente loro di operare in sicurezza.

Ma questa nuova fonte di radiazioni minaccia di capovolgere questi calcoli, in particolare per coloro che volano su rotte più settentrionali.

“L’effetto netto sull’equipaggio dell’aeromobile e sui frequent flyer per queste rotte sarà un aumento delle esposizioni mensili e annuali, che potrebbero avere conseguenze sulla salute limitanti la carriera”, affermano Tobiska e co.

È probabile che questa conclusione invii onde d’urto attraverso l’industria aeronautica. L’importanza di questa esposizione extra deve ancora essere calcolata, ma a questo lavoro deve essere data la massima priorità. In definitiva, questo dovrebbe essere progettato per dare chiarezza ai molti uomini e donne che saranno preoccupati per l’effetto di queste radiazioni sulla loro salute.


Rif: aumento degli eventi di radiazioni scoperti ad altitudini dell’aviazione commerciale: https://arxiv.org/abs/2209.05599

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