Il vento solare erode l'alta atmosfera di Marte. Potrebbe accadere anche alla Terra?

Marte sta perdendo la sua atmosfera

Ora il vento solare strappa a Marte l'atmosfera. Circa 100 grammi di gas al secondo, trascinati nello spazio. È un sottile flusso di particelle dal Sole in ogni direzione. Non si ferma mai.

Questa erosione potrebbe aver contribuito a rendere Marte freddo e arido come oggi. E la Terra è immersa nello stesso vento, ogni giorno. Può succedere anche qui? La coda blu di una cometa dà un indizio.

Vicino al Sole, una cometa ha testa luminosa e lunga coda. Una cometa è una palla di neve cosmica di gas congelati, roccia e polvere, in orbita solare. Avvicinandosi al Sole, quella coda si allunga. Una cometa luminosa può avere due code. Una blu tenue punta dritta lontano dal Sole.

Lo fa sia precipitando verso il Sole sia tornando via. Quando una cometa parte, la coda la precede. Qualcosa dal Sole spinge sempre quella coda. Il Sole ha un'altra stranezza.

La superficie visibile del Sole è circa 5.500 gradi Celsius. Ma la corona, sottile atmosfera esterna solare, raggiunge 2 milioni di gradi Celsius. È come una stanza più calda lontano dalla stufa. Perché l'atmosfera solare è tanto più calda della superficie?

Gli scienziati ne discutono da decenni. Cosa continua a spingere la coda blu lontano dal Sole?

Che cosa spinge la coda di una cometa?

Quella blu è una delle due code della cometa. L'altra è di polvere, spinta dalla luce solare in una curva lontano dal Sole. La coda blu è gas i cui atomi, perduti elettroni, hanno carica elettrica. Un atomo così carico è uno ione: questa è la coda ionica. La coda ionica è quella che punta dritta lontano dal Sole.

Questa foto del 1987 mostra la coda ionica della cometa Wilson, lunga circa 11 milioni di chilometri nel cielo visto dalla Terra. Nel 1951, l'astronomo tedesco Ludwig Biermann studiò code come queste. Concluse che la luce solare era troppo debole per spiegare quanto rapidamente le code ioniche si allontanavano. Propose invece che un flusso continuo di particelle uscisse dal Sole.

Continuo voleva dire sempre, non solo ogni tanto. All'epoca, l'ipotesi principale voleva particelle solari solo in raffiche. Ma nessuno spiegava perché il Sole continuasse a soffiare particelle.

L'articolo che fu quasi respinto

Nel 1958, un assistente professore trentunenne dell'Università di Chicago affrontò la domanda. Si chiamava Eugene Parker. Partì dall'ipotesi: atmosfera esterna solare caldissima, oltre un milione di gradi. Pensiamo a cosa fa il calore a un gas.

La temperatura misura la velocità delle particelle di un gas. Immaginate una pentola di zuppa sul fornello, col coperchio. Il coperchio respinge e trattiene il vapore caldo. Attorno al Sole, nulla nello spazio trattiene un gas tanto caldo.

Lo spazio non ha un coperchio. Parker fece i calcoli. Indicava un flusso verso l'esterno, in ogni direzione, sempre. Viaggiando, quel flusso accelererebbe oltre la velocità del suono.

Più veloce del suono si dice supersonico. Oggi chiamiamo quel flusso vento solare. Prima risposta: l'atmosfera esterna solare, troppo calda, sfugge alla gravità; ciò che sfugge è il vento solare. Questo vento spinge la coda ionica della cometa lontano dal Sole.

Non tutti ne erano convinti. Parker ricordò che il revisore gli disse di studiare in biblioteca prima di scrivere un articolo sull'argomento. Ma Parker disse che il revisore non indicò alcun errore nei calcoli. L'articolo passò a un secondo revisore, con esito simile.

Il direttore era l'astrofisico Subrahmanyan Chandrasekhar, futuro Premio Nobel. Parker ricordò che Chandrasekhar andò nel suo ufficio: "Vuoi davvero pubblicare questo articolo?" Parker notò che nessun revisore aveva trovato errori, e Chandrasekhar accettò di pubblicarlo. Anni dopo Chandrasekhar disse che era stato scettico ma, senza obiezioni reali, doveva pubblicarlo.

Fu pubblicato su The Astrophysical Journal nel 1958, con il titolo "Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields." C'era un'ipotesi rivale, del fisico Joseph Chamberlain. Nel suo modello, l'atmosfera solare evaporava lentamente nello spazio. Chamberlain prevedeva che quel gas raggiungesse l'orbita terrestre a circa 18 chilometri al secondo.

Brezza o vento supersonico: per deciderlo, bisognava misurare.

Misurare il vento

La prima occasione arrivò nel 1959, dall'Unione Sovietica. Luna 1 e Luna 2 portavano rivelatori di particelle del team di Konstantin Gringauz. Rilevarono particelle cariche oltre 50 chilometri al secondo. Ma non potevano stabilire da dove arrivassero le particelle.

La cronologia NASA attribuisce a Luna 1 la prima misura del vento solare. Eppure, il caso non era chiuso. Nel millenovecentosessantadue, Mariner due della NASA volò verso Venere. Fu la prima navicella riuscita a raggiungere un altro pianeta.

A bordo c'era uno strumento di Marcia Neugebauer e Conway Snyder del Jet Propulsion Laboratory della NASA. Rilevò gas carico proveniente direttamente dal Sole, a circa 400-700 chilometri al secondo. È oltre 20 volte più veloce della brezza di Chamberlain. A 400 chilometri al secondo, si gira la Terra in meno di due minuti.

Mariner 2 misurò per prima la velocità, densità e composizione del vento. Parker: "C'era il vento solare, che soffiava 24 ore su 24." Chamberlain definì poi il suo modello "gravemente irrealistico." Oggi sappiamo che il vento solare è soprattutto protoni ed elettroni.

Un gas così caldo, con elettroni strappati agli atomi, è un plasma. Il vento solare è dunque plasma, che fluisce dal Sole in ogni direzione, ogni secondo.

Più calda della superficie

La risposta di Parker poggiava su un'atmosfera esterna molto calda. Come si sapeva che fosse così calda? Ricordate la corona, l'atmosfera esterna del Sole. In un'eclissi totale, appare come bagliore bianco attorno al disco nero della Luna.

Nell'eclissi del 1869, Charles Young e William Harkness notarono ciascuno qualcosa di strano nella luce coronale. Scomposta nei colori, quella luce mostrava nella parte verde una riga inspiegabile. Alcuni la attribuirono a un nuovo elemento, chiamandolo coronio. Il mistero durò più di 70 anni.

Nel 1939, Walter Grotrian propose che una riga rossa coronale venisse da ferro privo di nove elettroni. Nel 1943, Bengt Edlén collegò righe coronali a misure di laboratorio. La famosa riga verde viene da ferro che ha perso 13 dei suoi 26 elettroni. Quella riga verde richiede gas a quasi 2 milioni di gradi.

Il coronio non era un elemento nuovo, ma ferro comune in un luogo straordinario. Nel millenovecentoquarantasette, Hannes Alfvén stimò la corona a circa due milioni di kelvin. A queste temperature kelvin e gradi Celsius danno quasi lo stesso numero. La NASA dà questi numeri: superficie circa 5.500 gradi Celsius.

Corona fino a 2 milioni di gradi, nucleo circa 15 milioni di gradi. Il nucleo produce l'energia del Sole, quindi è logico che sia caldo. Ci si aspetterebbe che fuori diventasse sempre più freddo. Invece, appena sopra la superficie, la temperatura aumenta di centinaia di volte.

C'è un altro aspetto di quel calore. Il calore differisce dalla temperatura: indica quanta energia le particelle riescono davvero a trasmettere. La corona ha una temperatura estremamente alta, ma una densità molto bassa. Ci sono così poche particelle che trasmettono pochissimo calore.

È come scintille di stellina filante: caldissime, ma troppo piccole per bruciare la mano.

Chi riscalda la corona?

Perché la corona è così calda? Gli scienziati lo chiamano problema del riscaldamento coronale. Ci sono due sospettati principali. Il primo sospettato sono le onde. Sotto la superficie solare il gas caldo ribolle sempre.

Immaginate il campo magnetico solare come lunghe corde di chitarra. Il movimento può scuoterle e inviare onde nella corona, dove cedono energia alle particelle cariche. Si chiamano onde di Alfvén, dallo stesso Hannes Alfvén. Il secondo sospettato sono i nanobrillamenti.

Un brillamento è un'esplosione improvvisa di energia solare, un nanobrillamento è piccolissimo. Quando linee magnetiche attorcigliate si spezzano e si ricongiungono, rilasciano energia. Questo processo si chiama riconnessione magnetica. Molte piccole esplosioni su tutto il Sole potrebbero produrre molto calore.

Entrambe le idee potrebbero avere un ruolo. Problema pratico: arrivato alla Terra, il vento è cambiato. Il vento solare lento impiega circa quattro giorni per percorrere centocinquanta milioni di chilometri. Lungo il percorso si mescola e perde gran parte delle caratteristiche originarie.

Nour Raouafi, del team Parker Solar Probe, disse che capirono di non poter mai risolvere il problema del riscaldamento coronale senza misurare nella corona. Così la NASA decise di andarci.

Volare nella corona

Il 12 agosto 2018, la NASA lanciò la Parker Solar Probe. Fu la prima missione NASA intitolata a un vivente. Eugene Parker, allora di 91 anni, assistette al lancio con il team. Per sopravvivere, la sonda vola dietro uno scudo termico.

Davanti lo scudo raggiunge circa mille trecentosettanta gradi Celsius, dietro gli strumenti restano a circa ventinove gradi. In parte perché la corona è caldissima ma molto rarefatta. Il 28 aprile 2021, all'ottavo passaggio, la sonda entrò per la prima volta nella corona. La NASA annunciò che una navicella aveva "toccato il Sole".

Attraversò un confine invisibile, chiamato superficie critica di Alvèn. Dentro, gravità e campo magnetico solari trattengono l'atmosfera. Fuori il vento è troppo veloce perché le onde tornino al Sole. È libero. Si può considerare il bordo esterno dell'atmosfera solare.

Anche allora era a circa 13 milioni di chilometri sopra la superficie solare. Il 24 dicembre 2024 arrivò a 6,1 milioni di chilometri dalla superficie solare, più vicino di qualsiasi oggetto umano mai costruito. Viaggiava a circa 690.000 chilometri all'ora, più veloce di ogni oggetto umano. Lo ha ripetuto molte volte. Il 4 settembre 2026 compì il 29° avvicinamento.

La missione è stata prolungata fino al 2029. La camera WISPR ha ripreso come mai prima il vento solare mentre lascia il Sole. Nicky Fox, responsabile scientifica NASA: "Vediamo dove iniziano le minacce del meteo spaziale terrestre, con gli occhi, non solo con modelli." Eugene Parker non vide tutto: morì nel marzo 2022, a 94 anni.

Cosa hanno trovato le sonde spaziali? La Parker Solar Probe ha trovato improvvise pieghe nel campo magnetico del vento vicino al Sole. Il campo si piega bruscamente e torna indietro come la lettera S: sono switchback. Il 25 marzo 2022, Solar Orbiter, europea e NASA, ne scattò la prima immagine.

Usò Metis, che oscura il disco solare per vedere la debole corona. L'immagine confermava un modello: linee magnetiche aperte incontrano linee ad anello verso il Sole e si riconnettono. Gli scienziati suggeriscono che questo processo possa accelerare il vento solare. Solar Orbiter trovò altro nelle primissime immagini, pubblicate nel 2020.

Su tutto il Sole c'erano minuscoli lampi, soprannominati dal team "falò". Ognuno è circa da un milione a un miliardo di volte più piccolo dei brillamenti solari visti dalla Terra. Frédéric Auchère del team disse che "potrebbero essere il contributo dominante al riscaldamento della corona solare." Potrebbero. Nessuno lo aveva ancora dimostrato.

Ora, il vento veloce: esce da zone scure della corona, i buchi coronali. Un buco coronale è una zona scura dove il campo magnetico non torna al Sole e il vento esce dritto. Nel 2023, il team di Stuart Bale osservò con Parker Solar Probe il vento veloce vicino all'origine. Trovarono piccoli flussi, distanziati come enormi celle

di gas ascendente e discendente sulla superficie solare, ciascuna larga circa 60.000 chilometri. Conclusero che il vento veloce riceve energia dalla riconnessione magnetica alla base dei buchi coronali, in definitiva dal campo magnetico solare. Nel 2024, un team osservò due volte lo stesso flusso.

Nel febbraio 2022, Parker Solar Probe misurò il flusso vicino al Sole. Solar Orbiter misurò lo stesso flusso più lontano, vicino all'orbita di Venere. Tra i punti, le onde di Alfvén avevano perso energia. Calcolarono che l'energia persa bastasse a riscaldare e accelerare il vento veloce.

Ma era un solo evento, come altri ricercatori sottolinearono. Uno studio del 2024 cercò switchback nella corona, senza trovarne lì completamente formati. Quindi è difficile dire dove si formino. Nel duemilaventitré, l'Agenzia Spaziale Europea riassunse: il riscaldamento coronale è "ancora molto dibattuto."

I pezzi combaciano, ma il problema del riscaldamento coronale non è risolto. Onde e piccole esplosioni potrebbero contribuire entrambe.

Vento veloce, vento lento e una spirale

Fuori dal Sole, il vento non ha ovunque la stessa velocità. Il vento veloce dei buchi coronali viaggia da 500 a 800 chilometri al secondo. Vicino all'orbita terrestre, prevale il vento lento, a circa 400 chilometri al secondo. Quando è tranquillo, il Sole ha un grande buco coronale per polo.

Ulysses volò sopra i poli solari e misurò lì vento veloce medio di circa 750 chilometri al secondo, contro circa 400 del vento lento equatoriale. Quando raggiunge il vento lento, il vento veloce vi si ammassa. Forma una regione densa e magnetica, detta regione di interazione corotante.

Quando una passa sulla Terra, può scatenare una tempesta geomagnetica. È un disturbo del campo magnetico terrestre, di solito lieve o moderato. Il vento porta con sé anche il campo magnetico solare. Il Sole ruota circa ogni 27 giorni.

Come un irrigatore da giardino che gira: ogni goccia vola dritta, ma il getto curva in una spirale. Il campo magnetico solare si avvolge nella stessa spirale. Vicino alla Terra, in media, le linee incrociano la traiettoria del vento a circa 45 gradi. Parker predisse questa spirale nella teoria del 1958: è la spirale di Parker.

Una bolla attorno al Sistema Solare

Fin dove arriva il vento? Oltre tutti i pianeti, finché incontra il gas rarefatto tra le stelle. Lungo il percorso crea una bolla gigante attorno al Sole: l'eliosfera. Là le distanze sono in unità astronomiche: una è Terra-Sole, circa 150 milioni di chilometri.

Nel dicembre 2004, Voyager 1 attraversò lo shock di terminazione, a circa 94 unità astronomiche dal Sole. Lì il vento rallenta bruscamente, premendo contro il gas esterno. Il 25 agosto 2012, a circa 122 unità astronomiche, Voyager 1 attraversò l'eliopausa, bordo della bolla. Centoventidue volte più lontano dal Sole di noi.

Ma lo strumento al plasma di Voyager Uno smise di funzionare nel millenovecentoottanta, quindi non misurò direttamente il vento. Quello di Voyager 2 funzionava ancora. Il 5 novembre 2018, registrò un forte calo nella velocità del vento solare. Dopo, non rilevò più alcun flusso di vento solare.

Voyager 2 era uscita dal vento solare, entrando nello spazio interstellare. Dove finisce il vento segna un confine del sistema solare.

Lo scudo della Terra e l'aurora

Torniamo sulla Terra, immersa ogni giorno in questo vento. La Terra ha il campo magnetico che orienta a nord l'ago della bussola. Il vento preme sul campo e crea attorno al pianeta uno spazio protetto, la magnetosfera. Verso il Sole la comprime; sul lato notturno la allunga in una lunga coda.

Secondo una spiegazione comune, particelle del vento solare cadono direttamente nell'aria e creano l'aurora. NOAA, agenzia USA per meteo e oceani, la spiega diversamente. Gli elettroni dell'aurora acquistano energia nella lunga coda sul lato notturno terrestre. Corrono lungo le linee del campo magnetico verso le regioni polari.

Lì, tra 80 e 500 chilometri di quota, urtano ossigeno e azoto, che emettono luce. Il vento solare fornisce energia, ma non ci piove semplicemente addosso. Durante le grandi tempeste, gli anelli aurorali polari si espandono e diventano visibili molto più lontano. Nel maggio duemilaventiquattro, persone di cinquantacinque paesi inviarono ad Aurorasaurus, progetto di scienza partecipata, oltre seimila segnalazioni di aurore.

In Giappone, gli osservatori del cielo fotografarono insolite aurore color magenta.

Quando il vento diventa una tempesta

Quella tempesta del maggio 2024 non venne dal vento solare quotidiano. A volte la corona espelle insieme un'enorme nube di plasma e campo magnetico. Si chiama espulsione di massa coronale, o CME. Se il vento solare è costante, una CME è una raffica.

Le più veloci arrivano sulla Terra in appena 15-18 ore. Una CME può scuotere il campo terrestre e causare una tempesta geomagnetica spesso più intensa. NOAA classifica le tempeste da G1, minore, a G5, estrema. Il primo settembre milleottocentocinquantanove, Richard Carrington e Richard Hodgson videro un lampo bianco sul Sole.

Fu il primo brillamento solare osservato in luce bianca normale. Circa 17 ore dopo una gigantesca tempesta colpì la Terra; aurore il 2 e 3 settembre. Il mondo aveva circa 200.000 chilometri di linee telegrafiche, in gran parte inutilizzabili per 8 ore o più. Il 13 marzo 1989 alle 2:44 una tempesta colpì la rete elettrica del Québec, in Canada.

In meno di un minuto, l'intera rete andò in blackout. Milioni di persone rimasero senza corrente per più di nove ore. La metro di Montréal si fermò; aurore fino in Florida e a Cuba. Gran parte del Québec poggia su un enorme scudo di roccia dura, cattivo conduttore. Durante

la tempesta, la corrente nel terreno seguì più facilmente le lunghe linee elettriche. Il 3 febbraio 2022, SpaceX lanciò 49 satelliti Starlink. Furono immessi in orbita bassa, fino a circa 210 chilometri. Il giorno dopo, una tempesta riscaldò e gonfiò l'alta atmosfera.

L'aria più densa aumentò fino al 50 per cento la resistenza sui satelliti rispetto ai lanci precedenti. SpaceX disse che fino a 40 su 49 sarebbero rientrati e bruciati; poi se ne contarono 38. Il 10 maggio 2024 arrivò la tempesta più intensa degli ultimi 20 anni. Fu G5, il massimo NOAA, per la prima volta in oltre due decenni.

Ora è la tempesta Gannon, dalla scienziata Jennifer Gannon. Nel Midwest USA, trattori GPS deviarono o si fermarono in semina. Kansas State University stimò per una fattoria con GPS perdite di circa 12.000-17.000 dollari USA. Il satellite ICESat-2 della NASA passò automaticamente in modalità di sicurezza.

Il 10 ottobre 2026, una CME partita dal Sole due giorni prima raggiunse la Terra. Quella sera, la NOAA segnalò una tempesta geomagnetica G3, cioè forte. L'attività solare oscilla in cicli di circa 11 anni; l'attuale raggiunse il picco nell'ottobre 2024. Nel duemiladiciannove, i previsori attendevano un picco più debole; quello reale fu molto più intenso.

Da 15 a 60 minuti

Possiamo quindi vedere arrivare una tempesta? Tra Terra e Sole c'è un punto allineato col Sole, a circa 1,5 milioni di chilometri dalla Terra. Si chiama punto di Lagrange 1, o L1. Lì un satellite incontra il vento prima di noi.

Un veicolo lì avvisa in genere 15-60 minuti prima. Per anni se ne occupò un satellite dell'agenzia statunitense per l'oceano e l'atmosfera, l'Osservatorio del clima nello spazio profondo. Nel giugno duemilaventisei l'agenzia passò a un satellite più recente. Lanciato il 24 settembre 2025, quel veicolo ora si chiama SOLAR-1. Nel giugno duemilaventisei divenne il primo satellite degli Stati Uniti costruito solo per sorvegliare il meteo spaziale.

Il coronografo oscura il disco solare per vedere la corona e invia immagini delle CME ai previsori entro 30 minuti. Con il vecchio SOHO, le immagini impiegano fino a otto ore per arrivare ai previsori. Clinton Wallace, direttore NOAA dello Space Weather Prediction Center: "Significa più tempo per agire."

Ciò che il vento porta via da Marte

Torniamo ora su Marte, da dove siamo partiti. Marte non ha un campo magnetico globale. Il vento solare raggiunge direttamente l'alta atmosfera e porta particelle cariche nello spazio. Nel 2015 MAVEN della NASA misurò la perdita: circa 100 grammi di gas al secondo.

Durante le tempeste solari, la perdita aumenta molto. Bruce Jakosky, responsabile MAVEN, la paragonò a poche monete rubate ogni giorno da un registratore: col tempo si accumulano. In miliardi di anni, questo potrebbe aiutare a spiegare Marte da mondo più umido a pianeta freddo e arido, con sottile atmosfera. La Terra potrebbe perdere atmosfera così? È facile dire che il campo magnetico protegga.

Ma alcuni scienziati dissentono. Uno studio del 2018 confrontò misure: Terra, Marte e Venere perdono atmosfera a ritmi simili. Venere, senza campo magnetico globale, ha un'atmosfera molto spessa. Gli autori dissero che un campo magnetico non basta da solo a proteggere un'atmosfera,

e talvolta può aiutare il gas a fuggire ai poli. Marte è piccolo, con gravità debole: lo scudo magnetico è forse solo parte della storia.

Quindi, che cos'è il vento solare?

Cos'è il vento solare? È l'atmosfera solare, troppo calda per restare, che fluisce ovunque a centinaia di chilometri al secondo. Spingeva le code delle comete prima che se ne conoscesse l'esistenza. Un giovane fisico lo predisse, due revisori lo respinsero, una sonda per Venere lo misurò.

Si avvolge a spirale, gonfia una bolla oltre i pianeti, illumina i cieli e strappa aria a Marte. Da una corona centinaia di volte più calda della superficie sottostante. Gli scienziati cercano ancora il perché, aiutati da una sonda che continua a immergersi nella corona. Quando vedete una cometa, cercate la tenue coda blu: punta lontano dal Sole perché il Sole soffia senza fermarsi.