I dati della missione Cluster dell'ESA hanno fornito una registrazione dell'inquietante "canzone" che la Terra canta quando viene colpita da una tempesta solare.

La canzone proviene da onde generate nel campo magnetico terrestre dalla collisione della tempesta. La tempesta stessa è l'eruzione di particelle caricate elettricamente dall'atmosfera solare.

Una squadra guidata da Lucile Turc, un ex ricercatore dell'ESA che ora ha sede presso l'Università di Helsinki, Finlandia, ha fatto la scoperta dopo aver analizzato i dati del Cluster Science Archive. L'archivio fornisce l'accesso a tutti i dati ottenuti durante la missione in corso di Cluster per quasi due decenni.

Cluster è costituito da quattro veicoli spaziali che orbitano attorno alla Terra in formazione, studiando l'ambiente magnetico del nostro pianeta e la sua interazione con il vento solare, un flusso costante di particelle rilasciate dal sole nel Sistema Solare.

Come parte delle loro orbite, la navicella spaziale Cluster vola ripetutamente attraverso la scossa premonitrice, che è la prima regione che le particelle incontrano quando una tempesta solare colpisce il nostro pianeta. Il team ha scoperto che nella prima parte della missione, dal 2001 al 2005, la navicella ha attraversato sei di queste collisioni, registrare le onde generate.

La nuova analisi mostra che, durante la collisione, la scossa premonitrice è spinta a rilasciare onde magnetiche che sono molto più complesse di quanto si pensasse.

"Il nostro studio rivela che le tempeste solari modificano profondamente la regione delle scosse previsionali, "dice Lucilla.

Quando le frequenze di queste onde magnetiche si trasformano in segnali udibili, danno origine a una canzone inquietante che potrebbe richiamare più gli effetti sonori di un film di fantascienza che un fenomeno naturale.

In tempi tranquilli, quando nessuna tempesta solare sta colpendo la Terra, la canzone è di tono più basso e meno complessa, con una sola frequenza che domina l'oscillazione. Quando arriva una tempesta solare, la frequenza dell'onda è circa raddoppiata, con la frequenza precisa delle onde risultanti che dipende dalla forza del campo magnetico nella tempesta.

"È come se la tempesta stesse cambiando l'accordatura della scossa premonitrice, " spiega Lucilla.

E non si ferma qui perché non solo la frequenza dell'onda cambia, ma diventa anche molto più complicata della singola frequenza presente nei periodi di quiete. Una volta che la tempesta colpisce la scossa, l'onda si infrange in una complessa rete di diversi, frequenze più alte.

Simulazioni al computer della scossa premonitrice, eseguita utilizzando un modello chiamato Vlasiator, che si sta sviluppando presso l'Università di Helsinki, dimostrare l'intricato modello d'onda che appare durante le tempeste solari.

I cambiamenti nella scossa premonitrice hanno il potere di influenzare il modo in cui la tempesta solare si propaga sulla superficie terrestre. Sebbene sia ancora una domanda aperta su come funziona esattamente questo processo, è chiaro che l'energia generata dalle onde nella scossa non può fuggire indietro nello spazio, mentre le onde vengono spinte verso la Terra dalla tempesta solare in arrivo.

Prima che raggiungano la nostra atmosfera, però, le onde incontrano un'altra barriera, lo shock dell'arco, che è la regione magnetica dello spazio che rallenta le particelle del vento solare prima che si scontrino con il campo magnetico terrestre. La collisione delle onde magnetiche modifica il comportamento dell'urto di prua, forse cambiando il modo in cui elabora l'energia della tempesta solare in arrivo.

Dietro lo shock di prua, i campi magnetici della Terra iniziano a risuonare alla frequenza delle onde e questo contribuisce a trasmettere il disturbo magnetico fino al suolo. È un processo veloce, impiegando circa dieci minuti dall'onda generata dalla scossa premonitrice alla sua energia che raggiunge il suolo.

Lucile e colleghi stanno ora lavorando per capire esattamente come vengono generate queste onde complesse.

"We always expected a change in frequency but not the level of complexity in the wave, "aggiunge.

Solar storms are a part of space weather. While the solar wind is always blowing, explosive releases of energy close to the sun's surface generate turbulence and gusts that eventually give rise to solar storms.

Understanding space weather has become increasingly important to society because of the damaging effects solar storms can have on sensitive electronics and technology on ground and in space. It is now more important than ever that we understand how space weather disturbances such as solar storms propagate through the Solar System and down to Earth, and ESA's upcoming Solar Orbiter mission, scheduled for launch in February 2020, will greatly contribute to these investigations.

This new scientific study based on the long-lived Cluster mission provides another detail in that knowledge but it also has a larger role to play in our understanding of the universe. Magnetic fields are ubiquitous and so the kind of complex interaction seen in Earth's foreshock may take place in a variety of cosmic environments, including exoplanets orbiting close to their parent star, as they would be immersed in intense magnetic fields.

"This is an excellent example of how Cluster continues to extend our knowledge of the sun-Earth connection, even years after the original data was obtained, " says Philippe Escoubet, ESA Project Scientist for Cluster.

"The results take us deeper into the details of fundamental magnetic interactions that take place across the universe."