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Gli alberi più antichi rivelano la più grande tempesta solare della storia

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Mentre l’umanità deve fare i conti con molti problemi sulla Terra – guerra, disordini politici, una pandemia in corso, il tutto insieme alle crisi energetiche, climatiche e idriche – è importante ricordare quanto possa essere implacabile l’Universo. Mentre terremoti, tornado, vulcani, uragani e altri disastri naturali continuano ad avvenire, c’è una minaccia incombente per la quale siamo completamente impreparati: una tempesta solare. Senza alcuna mitigazione, incendi elettrici diffusi e guasti alle centrali elettriche potrebbero comportare trilioni di dollari di danni, con un enorme impatto sulla vita di miliardi di persone.

Storicamente, il più grande evento solare registrato si è verificato nel 1859: l’evento di Carrington. Ma più di un millennio prima, un evento cosmico ancora più forte colpì la Terra. Lo sappiamo perché, negli anni che vanno dal 774 al 775, c’è stato un tremendo picco di presenza di carbonio-14 nell’atmosfera terrestre e le prove si trovano negli anelli degli alberi in tutto il mondo.

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Dopo un intero decennio di indagini sulle possibili cause di questo picco, la conclusione scientifica a cui siamo giunti è che la colpa fu del Sole. Una tempesta solare di oltre 1200 anni fa potrebbe essere stata la più potente registrata nella storia naturale. Questo significa che la Terra potrebbe essere a rischio ancora maggiore di una tempesta solare peggiore di quanto chiunque pensasse possibile.

brillamento solare
Un brillamento solare dal nostro Sole, che espelle la materia dalla nostra stella madre e nel Sistema Solare, può innescare eventi come l’espulsione di massa coronale. Anche se le particelle impiegano in genere circa 3 giorni per arrivare, gli eventi più energetici possono raggiungere la Terra in meno di 24 ore e possono causare il maggior danno alla nostra elettronica e alle nostre infrastrutture elettriche. ( Credito : NASA/Osservatorio sulla dinamica solare/GSFC)

La scienza dell’astronomia solare è relativamente giovane. Sebbene le macchie solari siano state citate e registrate sin dal IV secolo aC, sono state identificate come inerenti al Sole solo al tempo di Galileo, all’inizio del 1600. Le osservazioni secondo cui queste macchie non solo apparivano sul Sole, ma migravano sulla sua superficie mentre ruotava, sono state le prime a sfidare con forza l’idea di Aristotele che il Sole fosse perfetto: senza difetti né movimento.

La connessione delle macchie solari ai brillamenti solari non sarebbe stata stabilita fino al 1859, quando l’astronomo Richard Carrington, mentre seguiva una regione di macchie solari ampia e irregolare, osservò quello che chiamò un “brillamento di luce bianca” che durò per circa cinque minuti. 18 ore dopo, sulla Terra si verificò la più grande tempesta geomagnetica della storia recente, che provocò:

  • esibizioni auroreali in tutto il mondo, anche all’equatore,
  • persone si svegliarono nel cuore della notte, pensando che fosse l’alba,
  • resoconti di aurore così luminose che di notte si potevano leggere i giornali alla loro luce,
  • gli impianti elettrici, come i telegrafi, iniziarono a fare scintille e ad accendere fuochi, anche quando erano completamente scollegati da qualsiasi fonte di alimentazione.

Conseguentemente, visto l’enorme sviluppo attuale delle infrastrutture elettriche ed elettroniche dell’umanità, è facile capire come un evento simile, se dovesse verificarsi oggi, potrebbe portare a una catastrofe senza precedenti.

Negli anni successivi, altre tempeste solari più piccole hanno avuto un impatto sull’umanità. Una tempesta geomagnetica di tre giorni nel 1921 scatenò numerosi incendi in tutto il mondo, incluso vicino al Grand Central Terminal di New York City. Un evento solare del 1960 provocò diffuse interruzioni radio, e poi le tempeste solari del 1972 provocarono gravi disturbi alla rete elettrica e di comunicazione, provocando persino la detonazione accidentale di numerose mine navali. Inoltre, una tempesta geomagnetica nel 1989 provocò enormi interruzioni di corrente e danni sostanziali alla rete elettrica.

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Nel luglio del 2012 si è verificata la più grande eruzione solare dal 1859, con proprietà intrinseche paragonabili all’evento di Carrington. Fortunatamente, l’ejecta ha mancato la Terra; se l’esplosione fosse avvenuta 9 giorni prima avrebbe probabilmente causato il disastro naturale più costoso della storia umana.

Quello che è meno chiaro, invece, è come sia possibile ricostruire ciò che accadde più di 1000 anni fa, quando le tempeste solari non avevano conseguenze negative per l’umanità e l’astronomia solare era una scienza praticamente inesistente. Quelle che un tempo erano semplici congetture sono diventate improvvisamente un giallo scientifico grazie a un improbabile testimone: gli antichi alberi di cedro.

Molti alberi, trovati in tutto il mondo, hanno migliaia di anni. Gli atomi di carbonio che si trovano all’interno degli anelli degli alberi sono di tre varietà: carbonio-12, carbonio-13 e carbonio-14. Misurando le abbondanze di carbonio-14 attraverso i vari anelli e tenendo conto della modesta emivita del carbonio-14, possiamo ricostruire quali erano le abbondanze atmosferiche di carbonio-14 nel momento in cui ciascun anello dell’albero ha terminato la formazione. ( Credito : Joe Shlabotnik/flickr)

Gli alberi, cosa abbastanza nota, crescono dall’interno verso l’esterno, producendo una nuova serie di anelli nei loro tronchi ogni anno che passa. Gli ultimi 3000 anni, in particolare, sono stati particolarmente ben documentati grazie a un set di dati storico sintetizzato dai dati degli anelli degli alberi in giro per il globo. Il carbonio è uno degli elementi più importanti che si trovano in tutta la materia organica, derivato dall’aria (per la maggior parte delle piante) o dalla materia a base di carbonio consumata (dalla maggior parte degli animali) per il cibo. Il carbonio è disponibile in tre varietà:

  • carbonio-12, con 6 protoni e 6 neutroni nel suo nucleo, che rappresenta la maggior parte del carbonio presente in natura,
  • carbonio-13, con 6 protoni e 7 neutroni nel suo nucleo, che rappresentano circa l’1,1% del carbonio presente in natura,
  • e carbonio-14, con 6 protoni e 8 neutroni nel suo nucleo, che è radioattivo, con un’emivita di circa 5700 anni.

Se l’unica fonte di carbonio fosse il materiale che la Terra formò inizialmente circa 4,5 miliardi di anni fa, non ci sarebbe affatto carbonio-14, poiché sarebbe ormai tutto decaduto. Ma c’è carbonio-14 sulla Terra, poiché circa 1 su ogni trilione di atomi di carbonio ha otto neutroni all’interno del suo nucleo. Non abbiamo capito perché fino al 20° secolo: perché la Terra è costantemente bombardata da particelle ad alta energia provenienti dallo spazio.

Raggi cosmici
I raggi cosmici, che sono particelle di altissima energia provenienti da tutto l’Universo, compreso il Sole, colpiscono i nuclei atomici nell’alta atmosfera e producono piogge di nuove particelle. Le particelle cariche in rapido movimento emettono luce anche a causa della radiazione Cherenkov poiché si muovono più velocemente della velocità della luce nell’atmosfera terrestre e producono particelle secondarie, inclusi i neutroni, che continueranno a interagire con altre particelle nell’atmosfera. (Credit: Asimmetrie/INFN)

Da tutti i tipi di sorgenti cosmiche – stelle (incluso il Sole), nane bianche, stelle di neutroni, buchi neri e persino galassie oltre la Via Lattea – vengono emesse particelle ad alta energia e alcune di esse entrano in collisione con l’atmosfera terrestre. Quando lo fanno, colpiscono gli atomi che sono presenti lì: principalmente azoto e ossigeno. Queste collisioni spesso finiscono per produrre una cascata di particelle, inclusi fotoni, elettroni, positroni (le controparti di antimateria degli elettroni), particelle instabili come mesoni e muoni, insieme ai comuni e familiari protoni e neutroni.

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Il neutrone, quando si tratta di carbonio-14, è importantissimo. La maggior parte dell’atmosfera terrestre (78%) è costituita da azoto gassoso: una molecola biatomica contenente due atomi di azoto ciascuna. L’azoto possiede tipicamente 7 protoni e 7 neutroni nel suo nucleo, ma quando un neutrone lo colpisce, c’è una probabilità finita che si verifichi una reazione di sostituzione, con quel neutrone che sostituisce uno dei protoni. Ogni volta che ciò accade, il nucleo si trasmuta da un atomo di azoto (con 7 protoni e 7 neutroni) in un atomo di carbonio (con 6 protoni e 8 neutroni): nello specifico, un atomo di carbonio-14.

Dal momento in cui viene prodotto fino al decadimento, ogni atomo di carbonio-14 si comporterà proprio come i suoi cugini stabili carbonio-12 e carbonio-13. Forma prontamente anidride carbonica nella nostra atmosfera e si mescola nell’atmosfera e negli oceani. Viene incorporato in tutti gli organismi viventi esattamente come farebbe qualsiasi altra forma di carbonio, fino a raggiungere concentrazioni di equilibrio con l’ambiente circostante.

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È solo quando un organismo muore – o, nel caso di organismi come gli alberi, il suo anello annuale/stagionale è completamente formato – che nessun nuovo carbonio-14 può entrarvi. A quel punto, la quantità di carbonio-14 al suo interno è al massimo e da qui in poi decade proprio come ci si aspetterebbe: in modo esponenziale e probabilistico, con un’emivita complessiva di circa 5700 anni.

Il modo in cui noi effettuiamo la datazione al carbonio è misurando l’attuale rapporto tra carbonio-14 e carbonio-12. Poiché il rapporto di queste due specie tra loro, in un dato momento, è estremamente stabile (rimane a circa 1 parte su un trilione nel tempo, con variazioni solo allo 0,6% di anno in anno), la misurazione del rapporto carbonio-14/carbonio-12 in qualsiasi momento ci consente di determinare quanto tempo è trascorso da quando l’organismo ha smesso di assorbire nuovo carbonio-14.

Se si sa come decade il carbonio-14 e si può misurare quanto carbonio-14 (rispetto al carbonio-12) è presente oggi, è facile imparare quanto carbonio-14 era presente quando un evento specifico si è verificato in una reliquia “fossilizzata” del passato. Il processo di datazione al carbonio utilizza proprio questo metodo, dove gli atomi rimasti ci permettono di dedurre quali erano le condizioni nel momento in cui l’organismo contenente carbonio ha smesso di assorbire nuovo carbonio. ( Credito : ExeterPaul/Wikimedia Commons)

Ecco perché la misurazione degli anelli degli alberi – e, in particolare, degli alberi di cedro giapponese che erano vivi negli anni 774-775 – ci ha dato un tale shock scientifico quando li abbiamo analizzati. Negli ultimi 3.000 anni, ci sono stati solo quattro brevi periodi in cui il contenuto di carbonio-14 degli alberi è aumentato di oltre il 3% nell’arco di un decennio.

Uno di questi è stato recente: nel 20° secolo, causato dalla detonazione all’aperto delle prime armi nucleari del mondo.

Due di loro erano di grandezza relativamente bassa e quindi non sono i migliori da analizzare.

Ma una di queste transizioni si è verificata all’improvviso e con una magnitudo incredibilmente grande. Da 774 a 775, il contenuto di carbonio-14 è aumentato di un incredibile 12%, e lo ha fatto tutto in una volta. Questo “picco” è circa 20 volte più grande di qualsiasi altra variazione naturale che si è verificata su scale temporali di anno in anno ed è stata rapidamente confermata l’esistenza in altri luoghi del mondo. Anche altri alberi di tutto il mondo, tra cui Germania, Russia, Nuova Zelanda e persino il Nord America, hanno mostrato lo stesso picco, indicando che il picco di carbonio-14 fu un fenomeno mondiale.

I punti colorati con barre di errore mostrano i dati C-14 misurati in alberi giapponesi (M12) e tedeschi (quercia) insieme al profilo tipico per la produzione istantanea di C-14 (curva nera). Nota quanto è grande il ‘picco’ in 774/5 rispetto agli anni precedenti e le incertezze. ( Credito : Isosik/Wikimedia Commons)

Il fatto che i livelli di carbonio-14 siano aumentati è interessante, ma non è abbastanza convincente, da solo, per rivelare una tempesta solare come causa sottostante. Certo, l’attività solare è una possibilità, ma i brillamenti cosmici, i lampi di raggi gamma o persino la ricezione di un colpo diretto dal getto di buco nero o da un evento di supernova collimata potrebbero causare un picco di carbonio-14. Tuttavia, abbiamo altre prove storiche e scientifiche e, sommandole tutte insieme, un evento solare è l’unica conclusione ragionevole.

Storicamente, un “crocifisso rosso nei cieli” è stato registrato nella cronaca anglosassone del 774, cosa che fa pensare che i cronisti dell’epoca potrebbero essersi riferiti a una supernova (sebbene non sia mai stato trovato alcun residuo) o a un evento aurorale. Quasi nello stesso momento, nel 775, osservatori cinesi riferirono di aver visto un “temporale” anomalo, per il quale il sosetto è che ci si riferisse a un evento aurorale equatoriale, poiché nessun altro “temporale” del genere era mai stato segnalato come tale.

Nel frattempo, i dati scientifici sugli anelli degli alberi possono essere combinati con i dati delle carote di ghiaccio recuperati dall’Antartide. Mentre gli anelli degli alberi mostrano un picco di carbonio-14 da 774 a 775, i dati del nucleo di ghiaccio mostrano un corrispondente picco di berillio radioattivo-10 e cloro-36, che suggeriscono un’associazione con un evento forte ed energetico di particelle solari.

I dati sul carbonio-14 (al centro) insieme ai picchi associati nei dati del nucleo di ghiaccio del berillio-10 (in alto) e del cloro-36 (in basso) sono tutti coerenti con un evento di brillamento solare ricco di protoni per l’origine del segnale in eccesso visto dal 774 al 775. ( Credito : F. Mekhaldi et al., Nature Communications (2015))

Anche gli altri due picchi registrati negli ultimi 3000 anni corrispondono a potenziali eventi di attività solare: uno dal 993 al 994 e uno circa nel 660 aC. Tutti e tre questi eventi possono essere unificati da una causa comune: una rapida espulsione di protoni dal Sole. I lampi di raggi gamma e le supernove non producono abbastanza protoni, quindi queste spiegazioni sono sfavorite. Eventi otticamente invisibili, come i bagliori cosmici extragalattici o il getto di un buco nero, non avrebbero prodotto osservazioni storiche coincidenti, e quindi anche quelli sono sfavoriti. L’unica opzione che spiega tutte le osservazioni, insieme, è una tempesta solare.

Il picco del 774 a 775 è di gran lunga il più osservato. Dalle proprietà degli anelli degli alberi e dai dati ricavati dai nuclei di ghiaccio che abbiamo preso, possiamo persino confrontare il bagliore che lo ha causato all’evento di Carrington del 1859, ed i risultati sono davvero incredibili. Sebbene l’evento di Carrington sia il più potente brillamento solare mai registrato nei tempi moderni, un’analisi completa dei dati suggerisce che l’evento del 774-775, oltre 1200 anni fa, potrebbe essere stato fino a dieci volte più potente. Sebbene i dati siano minori, ci sono nuove prove pubblicate quest’anno che suggeriscono che una tempesta solare di circa 9200 anni fa potrebbe essere stata persino più potente dell’evento del 774-775.

È di vitale importanza, se consideriamo i danni che potrebbe produrre una tempesta solare potenzialmente devastante, che non esageriamo né sminuiamo le minacce che il nostro Sole rappresenta. In circostanze normali, il Sole emette particelle cariche, con eventi magnetici che determinano il rilascio di un bagliore occasionale o un’espulsione di massa coronale ancora meno comune. In rare occasioni, questi flussi di particelle emessi sono ad alta energia e si muovono rapidamente, attraversando la distanza Sole-Terra in meno di un giorno. E se l’allineamento dovesse scagliare le particelle del bagliore direttamente verso la Terra e il campo magnetico solare di superficie fosse perfettamente anti-allineato con il campo magnetico auto-generato dalla Terra ne deriverebbe un disastro.

Fino a poco tempo, pensavamo che un evento simile a Carrington sarebbe stato lo scenario peggiore. Ma prove più recenti ora indicano che le tempeste solari possono verificarsi in varietà anche dieci volte più forti dell’evento di Carrington del 1859, con conseguenze corrispondentemente più gravi per la nostra infrastruttura, sia a terra che in orbita attorno al nostro pianeta. Provocherebbe il deorbitamento dei satelliti nell’orbita terrestre bassa e incendi elettrici diffusi, con un impatto sull’umanità si farebbe sentire per decenni o anche più a lungo.

A meno che non prepariamo la nostra rete elettrica, i nostri sistemi di distribuzione dell’energia, la nostra infrastruttura spaziale e i cittadini della Terra per essere pronti per l’inevitabile giorno in cui un tale bagliore ci colpirà, pagheremo i costi catastrofici tutti in una volta. Spetta a noi, collettivamente, intraprendere le azioni preparatorie necessarie per essere pronti. Altrimenti, quando accadrà, la nostra unica strada sarà quella di raccogliere i pezzi della nostra civiltà e, se potremo, tentare di ricostruirla.

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