SURF è un nuovo strumento di simulazione che studia il viaggio del vento solare e delle nubi di plasma espulse dal Sole, per capire quali informazioni servono a prevederne meglio l’arrivo ìn prossimità della Terra.
Per stimare l’arrivo di un’automobile non basta conoscere la velocità alla partenza: per esempio, conta anche il traffico che incontrerà. Qualcosa di simile accade alle grandi nubi di materia espulse dal Sole, che durante il viaggio possono accelerare, rallentare ed espandersi, interagendo con l’ambiente circostante.
Il Sole emette continuamente il vento solare, un flusso di particelle elettricamente cariche, che si propaga nello Spazio interplanetario in tutte le direzioni. Questo flusso non è uniforme: quando una sua componente più veloce raggiunge quella più lenta che la precede, si formano regioni di compressione.
È attraverso questo ambiente mutevole che viaggiano le espulsioni coronali di massa, o CME: grandi nubi di plasma e campo magnetico espulse dalla corona, l’atmosfera esterna del Sole. Quando raggiungono la Terra, possono provocare tempeste geomagnetiche, perturbazioni del campo magnetico terrestre con possibili conseguenze per le nostre tecnologie in orbita e a terra.
A studiare “questo viaggio” aiuta SURF, acronimo di Space-weather Utilities for Research and Forecasting, ovvero strumenti per la ricerca e la previsione del meteo spaziale. Presentato recentemente da Mathew J. Owens e Luke A. Barnard su Solar Physics, è uno strumento per effettuare simulazioni volete alla ricostruzione e alla previsione della struttura del vento solare e delle CME su larga scala.
SURF incorpora sia il modello idrodinamico già esistente “HUXt” sia un nuovo modello idrodinamico unidimensionale, “hydro.”, di recente sviluppo. Quando viene utilizzato con quest’ultimo, il sistema è indicato come SURF-hydro.
Le novità: compressione del plasma e dati iniziali
La prima novità di hydro riguarda la compressione del plasma. Rispetto a HUXt, hydro ne descrive in modo fisicamente più completo gli effetti, calcolando insieme l’evoluzione di velocità, densità e temperatura attraverso le leggi di conservazione della massa, della quantità di moto e dell’energia. Gli autori ne hanno verificato il funzionamento simulando un caso semplificato di espansione del vento solare, per il quale le equazioni forniscono un risultato esatto: hydro lo riproduce con grande precisione.
La seconda novità riguarda le informazioni con cui avviare i calcoli. Come una previsione del meteo sulla Terra ha bisogno di conoscere temperatura, pressione e venti, una simulazione del vento solare richiede valori iniziali attendibili.
In alcuni modelli, i valori iniziali di densità e temperatura vengono ricavati dalla velocità del vento solare attraverso relazioni semplificate tra le proprietà del plasma. Gli autori di SURF hanno invece utilizzato trent’anni di misure raccolte vicino alla Terra nell’archivio OMNI, che riunisce osservazioni del vento solare effettuate da diversi veicoli spaziali.
Da queste misure hanno ricavato le relazioni empiriche tra velocità, densità e temperatura, calcolando poi a ritroso quali valori assegnare più vicino al Sole, a circa 15 milioni di chilometri dalla nostra stella, dove comincia la simulazione. Il calcolo tiene conto dell’accelerazione e dell’espansione del vento solare durante il viaggio.
Con i valori iniziali così calcolati, rispetto ad altri modelli confrontati nello studio, la simulazione riproduce meglio le proprietà del vento solare misurate vicino alla Terra e le loro variazioni nel tempo.
Confrontare gli scenari per migliorare le previsioni
Gli autori hanno poi simulato una stessa espulsione coronale di massa assegnandole però densità e temperature diverse, con valori massimi fino a sei volte quelli minimi. Pur partendo alla stessa velocità, con la stessa direzione e attraversando lo stesso vento solare, le nubi simulate raggiungono la Terra in tempi diversi e con velocità diverse: nell’esempio studiato, le differenze sono dell’ordine del 15–20 per cento. Densità e temperatura influenzano infatti il modo in cui la nube si espande e interagisce con il plasma circostante durante il viaggio.
SURF-hydro conserva però alcune semplificazioni. Calcola l’evoluzione del plasma lungo la direzione di allontanamento dal Sole, senza rappresentarne tutti i movimenti nelle tre dimensioni, e non include le forze esercitate dal campo magnetico.
SURF-hydro descrive quindi il comportamento del plasma con maggiore dettaglio rispetto ai modelli più semplici, ma richiede meno tempo di calcolo delle simulazioni magnetoidrodinamiche tridimensionali che descrivono il movimento del plasma nelle tre direzioni dello spazio e includono le forze esercitate dal campo magnetico.
Queste sono quindi fisicamente più complete, ma questa complessità richiede più tempo di calcolo. SURF-hydro conserva alcune semplificazioni che lo rendono più rapido, permettendo di ripetere le simulazioni molte volte con dati iniziali diversi e confrontare numerosi scenari possibili.
Guarda due simulazioni SURF-hydro della stessa espulsione solare: la nube a sinistra, inizialmente più calda e densa, si espande e avanza più rapidamente. Il Sole è al centro, la Terra è il punto viola. Crediti: Owens e Barnard, Solar Physics (2026).
Lo studio non dimostra quindi ancora un miglioramento generale delle previsioni dell’arrivo delle CME, ma mette a disposizione uno strumento per capire come ottenerlo. Se una parte dell’incertezza dipende dalla densità e dalla temperatura iniziali della nube, occorre valutare meglio queste caratteristiche, oltre alla velocità. Nella meteorologia spaziale, una previsione più affidabile può tradursi in tempo prezioso per proteggere satelliti e infrastrutture terrestri dagli effetti dell’attività solare.
[A cura di Daria Guidetti]
