Introduzione

Eccoci con un altro report sulla radiazione cosmica nei voli aerei, ovvero una misura sulla radiazione ionizzante ad alta quota che si crea in atmosfera, su interazione coi raggi cosmici che arrivano dallo spazio.

Le misure riguardano i risultati ottenuti durante una vacanza-studio e durante il volo dall'Italia alla Norvegia, precisamente a Tromsø, punto di riferimento principale per lo studio delle aurore polari e della fisica spaziale, attraverso l'omonima università. Il volo è avvenuto in due tappe: Milano-Malpensa > Copenhagen e Copenhagen > Tromsø. Come per altre esperienze simili (vedi viaggio verso Ivalo), la raccolta dei dati è durata per tutto il tragitto.

Il rivelatore utilizzato è il neonato AMD5ALI, il quale è stato dotato di un registratore di dati per raccogliere misure da 3 canali distinti, due sulla radiazione ionizzante totale e uno per i soli raggi cosmici, principalmente muoni.

 

 

I dati delle rotte di volo sono fornite da FlightAware.

 

 

 

I dati delle rotte di volo sono fornite da Flightradar24.

 

Raggi cosmici in aereo

Nella prima tratta di volo l'aereo non ha superato i 10.000 metri, mentre nella seconda è arrivato a oltre 11.000. Già a questa quota, la radiazione ionizzante prodotta dai raggi cosmici raggiunge alti livelli, dove il picco massimo si assesta intorno ai 16000 metri, noto come massimo di Regener e Pfotzer (dai suoi scopritori).

Radiazione ionizzante, in questo caso significa radioattività di origine cosmica che il nostro corpo è costretto ad assorbire e a combattere per correggere i danni che essa produce. A terra siamo protetti dall'atmosfera che assorbe molta dell'energia delle particelle cosmiche, mentre in alta quota, anche in alta montagna, la radioattività assorbita aumenta progressivamente e nei voli aerei può diventare una minaccia costante, principalmente per i piloti e per l'equipaggio di volo.

 

Il rivelatore AMD5ALI in funzione.
Il numero di particelle contate da questo strumento alla quota di volo è di circa 300 al minuto!

 

Risultati

Il rivelatore è rimasto in funzione durante i voli: Malpensa>Copenhagen e Copenhagen>Tromsø. I grafici seguenti ci mostrano l'andamento della radiazione ionizzante registrata durante i voli. Le analisi prese in considerazione in questa esperienza riguardano solamente i voli di andata, dato che è facile immaginare che quelli di ritorno seguano un andamento analogo ma simmetrico.

 

Raggi cosmici da Malpensa a Copenhagen (conteggi al minuto) in funzione del tempo di trasferimento.

 

Raggi cosmici da Copenhagen a Tromsø (conteggi al minuto) in funzione del tempo di trasferimento.

 

I risultati delle misure sono in linea a quanto previsto, la quantità media di particelle in volo aumenta di almeno 23 volte rispetto ai dati di partenza, ma forse fa più effetto dire che aumenta di circa il 2300% rispetto ai valori a terra. Anche in questo volo emerge l'effetto di latitudine. Le particelle con carica elettrica che si muovono in un campo magnetico deviano la loro traiettoria, per via della forza elettromagnetica (forza di Lorentz). Non fanno eccezione le particelle ionizzanti in atmosfera che sono soggette al campo magnetico terrestre.

L'effetto di tale deviazione è maggiore all'equatore e praticamente nulla ai poli, perciò se con il nostro rivelatore in aereo partissimo dall'equatore (latitudine 0°) e ci dirigessimo verso il polo Nord (o Sud), ricaveremmo un andamento simile al grafico storico riportato qui sotto, dove la radiazione aumenta progressivamente fino al 60° parallelo, in seguito le linee di forza del campo magnetico sono "troppo inclinate" per avere effetto sulle particelle e avviene quello che in gergo tecnico viene definito cut-off, un taglio netto dove qualsiasi particella può penetrare il campo magnetico ed è arrestata solo dall'atmosfera. Questo effetto oggi è definito "effetto di latitudine". Per completezza va detto che l'asse magnetico terrestre è inclinato di circa 11° rispetto all'asse di rotazione e questo crea anche un effetto di longitudine sul flusso di particelle cosmiche misurate a terra.

 

References: Peter K.F. Grieder - COSMIC RAYS AT EARTH
Researcher’s Reference Manual and Data Book - Elsevier 2001.

 

I prossimi due grafici evidenziano questo effetto, la regressione lineare indica il progressivo aumento di radiazione cosmica, nonostante la quota dell'areo rimanga costante, ad indicare che l'effetto è dovuto al progressivo spostamento verso nord. L'aumento nel secondo volo è meno percettibile, un po' perchè i 60°N di latitudine vengono presto superati (intorno a Oslo) e un po' può dipendere da fluttuazioni transitorie degli stessi sciami cosmici.

 

Analisi di regressione lineare (somma dei due canali per le particelle ionizzanti), la linea blu indica la tendenza in aumento
durante il volo Malpensa Copenhagen.

 

Analisi di regressione lineare (somma dei due canali per le particelle ionizzanti), la linea blu indica la tendenza in aumento,
evidente solo a livello analitico (formula in alto) durante il volo Copenhagen-Tromsø.

 

L'effetto di aumento delle particelle cosmiche verso le latitudini più alte è molto marcata se si considera il plot dei due viaggi, dei dati riguardanti i soli muoni, particelle molto penetranti che non vengono fermate troppo dall'atmosfera.

 

Andamento dei soli muoni nei due voli distinti,
appare evidente il maggior flusso di muoni in aumento verso la regione polare, priva della protezione magnetica.

 

Le misure a Tromsø

Il lavoro di analisi è proseguito anche a Tromso con qualche misura in hotel. Proprio per via dell'effetto di latitudine era atteso un valore maggiore di raggi cosmici rispetto alle nostre latitudini, tuttavia i risultati sono stati contrastanti. Sono stati utilizzati due piccoli rivelatori portatili, lo stesso AMD5ALI e una versione del rivelatore AMD5 super leggero (AMD5 miniLab). Le misure sono state eseguite solamente per 2 e 4 ore rispettivamente. Una statistica così bassa evidentemente non è sufficiente per mostrare l'effetto atteso. Qualche indizio si può vedere nelle frequenze misurate che nel caso dei dati di Tromsø è superiore, nonostante la media di particelle registrate sia nettamente inferiore.

 

Confronto tra i livelli di raggi cosmici a Tromsø (70°N) e a Venegono I. (Varese, 45°N)
Il grafico mostra la densità di probabilità, l'asse x rappresenta i valori dei dati (cpm), l'asse y rappresenta la densità, ovvero la concentrazione dei dati in diversi punti lungo l'asse x. L'area totale sotto la curva è uguale a 1 (rivelatore AMD5miniLAB).

 

Confronto tra i livelli di raggi cosmici a Tromsø (70°N) e a Venegono I. (Varese, 45°N)
Il grafico mostra le fasce di frequenze dei dati (Rivelatore AMD5miniLAB).

 

La maggiore presenza di dati nelle fasce a minore frequenza si può interpretare come una presenza di maggiore quantità di raggi cosmici a bassa energia, ma i dati non sono sufficienti per giungere a conclusioni.

 

Postazione di misura.

 

Aurore a Tromsø

La città di Tromso ha visto numerosi ricercatori occuparsi dello studio dei raggi cosmici e delle aurore boreali, dal punto di vista storico spiccano i nomi dei norvegesi Carl Størmer e Kristian Birkeland. Nel museo dell'Università di Tromsø è ancora possibile osservare una ricostruzione della terrella di Birkeland, costruita per lo studio dell'interazione tra vento solare e campo magnetico terrestre che porta alla formazione di tali formazioni spettacolari.

 

Università di Tromso
La terrella di Birkeland.

 

Ovviamente questa località è un punto ideale per andare a caccia di aurore, meno ovvia è la probabilità di azzeccare i giorni giusti di soggiorno, infatti devono collaborare sia la situazione meteorologica, sia quella meteorologica spaziale per avere la fortuna di osservare l'aurora nel suo massimo splendore.

Aurora boreale ripresa dal monte Storsteinen.

 

_astroparticelle.it

 

 

 

 

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