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Un temporale con fulmini che generano emissioni di raggi gamma nell'alta atmosfera, i cosiddetti TGFs

Immaginate che un fulmine, oltre a produrre luce, tuoni e scariche elettriche, possa anche generare potenti esplosioni di raggi gamma, la radiazione più energetica dell'universo, quella stessa che si sprigiona nei buchi neri e nelle esplosioni di supernove. Questo fenomeno straordinario, noto come Terrestrial Gamma-ray Flash o TGF, è stato scoperto solo nel 1994 e da allora ha rivoluzionato la nostra comprensione dei processi fisici che avvengono durante i temporali, rivelando un collegamento inaspettato tra l'elettricità atmosferica e la fisica delle alte energie. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO.


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La scoperta dei Terrestrial Gamma-ray Flashes
I Terrestrial Gamma-ray Flashes furono scoperti quasi per caso nel 1994 dal satellite Compton Gamma Ray Observatory della NASA, un osservatorio spaziale progettato per studiare i raggi gamma provenienti dallo spazio profondo. Durante una missione di routine, gli strumenti del satellite rilevarono improvvise esplosioni di raggi gamma che sembravano provenire dalla Terra, un evento del tutto inaspettato visto che il nostro pianeta non era considerato una fonte di questa radiazione cosmica. Gli scienziati rimasero inizialmente perplessi, ipotizzando che potesse trattarsi di un malfunzionamento degli strumenti o di un'errata interpretazione dei dati, ma ulteriori osservazioni confermarono che i segnali erano reali e che provenivano proprio dall'atmosfera terrestre.

I successivi studi, condotti con il satellite RHESSI della NASA e successivamente con il satellite AGILE dell'Agenzia Spaziale Italiana, permisero di identificare con precisione l'origine dei TGFs, associandoli in modo inequivocabile ai temporali e, in particolare, ai fulmini di tipo positivo, quelli che trasportano una carica positiva dalla nube al suolo. La scoperta fu di portata epocale per la fisica atmosferica, poichè rivelava che i fulmini non erano semplicemente scariche elettriche, ma veri e propri acceleratori di particelle in grado di produrre radiazione gamma, un fenomeno che fino a quel momento si riteneva possibile solo in contesti astrofisici estremi come i nuclei galattici attivi o le esplosioni di supernova.

Il meccanismo fisico dei lampi gamma terrestri
Il meccanismo che genera i Terrestrial Gamma-ray Flashes è estremamente complesso e coinvolge processi fisici che si svolgono su scale temporali di millisecondi e su distanze di pochi chilometri. Durante un fulmine, il campo elettrico tra la nube e il suolo può raggiungere intensità di decine di milioni di volt al metro, un valore sufficiente ad accelerare gli elettroni a velocità relativistiche, cioè prossime a quella della luce. Quando questi elettroni ad alta energia si scontrano con gli atomi dell'aria, producono raggi gamma attraverso un processo chiamato bremsstrahlung, che in tedesco significa "radiazione di frenamento".

Il processo di produzione dei raggi gamma è una cascata di eventi che si autosostiene: gli elettroni accelerati producono raggi gamma, che a loro volta possono interagire con altri atomi dell'aria generando nuove coppie di elettroni e positroni, che vengono nuovamente accelerati dal campo elettrico del fulmine. Questo feedback positivo può amplificare il fenomeno fino a produrre esplosioni di raggi gamma che durano pochi millisecondi, ma che possono rilasciare un'energia equivalente a quella di decine di bombe atomiche. La potenza di questi eventi è talmente elevata che i raggi gamma prodotti possono viaggiare per centinaia di chilometri nell'atmosfera prima di essere assorbiti, rendendoli rilevabili dai satelliti anche a grande distanza.

Le proprietà energetiche dei TGFs
I raggi gamma prodotti dai TGFs hanno una distribuzione energetica che si estende da poche decine di keV fino a oltre 10 MeV, un intervallo che copre gran parte dello spettro dei raggi gamma. Gli eventi più energetici possono produrre fotoni con energie superiori a 20 MeV, un valore paragonabile a quello dei raggi gamma cosmici prodotti dai fenomeni astrofisici più violenti dell'universo. La durata di un TGF è estremamente breve, di solito compresa tra 1 e 10 millisecondi, ma in questo brevissimo lasso di tempo viene rilasciata una quantità di energia che può superare il megawattora, abbastanza per alimentare una città di medie dimensioni per diverse ore.

La frequenza dei TGFs è ancora oggetto di studio, ma si stima che si verifichino mediamente da 100 a 1.000 eventi al giorno in tutto il mondo, prevalentemente nelle regioni tropicali dove i temporali sono più frequenti e intensi. Tuttavia, la maggior parte di questi eventi non viene rilevata perchè si verifica al di sotto della sensibilità degli strumenti o al di fuori del campo di vista dei satelliti. Le stime più recenti, basate sui dati del satellite Fermi della NASA, suggeriscono che il numero di TGFs potrebbe essere addirittura di un ordine di grandezza superiore, con fino a 10.000 eventi giornalieri che passano inosservati.

L'impatto dei TGFs sull'atmosfera terrestre
I TGFs non sono solo un fenomeno fisico spettacolare, ma hanno anche un impatto significativo sulla chimica e sulla fisica dell'atmosfera terrestre. I raggi gamma prodotti da questi eventi interagiscono con le molecole di azoto e ossigeno presenti nell'atmosfera, rompendo i legami chimici e producendo radicali liberi e altre specie chimiche reattive. Uno dei processi più importanti è la produzione di ossidi di azoto, che possono influenzare l'equilibrio chimico della stratosfera e contribuire alla formazione o alla distruzione dell'ozono atmosferico.

L'impatto sulla ionosfera, lo strato superiore dell'atmosfera che si estende tra 80 e 600 chilometri di altitudine, è ancora più significativo. I TGFs possono ionizzare le molecole presenti in questo strato, alterandone la densità elettronica e influenzando la propagazione delle onde radio e dei segnali GPS. Alcuni studi hanno suggerito che le esplosioni di raggi gamma terrestri potrebbero addirittura innescare i cosiddetti "Luminous Transient Events", fenomeni luminosi che si verificano al di sopra dei temporali come gli sprite, le blue jets e gli elfi, creando un collegamento inaspettato tra i diversi strati dell'atmosfera.

Osservazioni future e implicazioni scientifiche
Lo studio dei TGFs è ancora nelle fasi iniziali e molte domande rimangono senza risposta. Uno degli aspetti più affascinanti e ancora misteriosi riguarda i cosiddetti "TGFs a lunga durata", eventi che possono estendersi per diversi secondi anzichè pochi millisecondi, e che potrebbero essere correlati a fulmini di tipo diverso o a processi fisici ancora sconosciuti. Un'altra questione aperta è l'eventuale connessione tra i TGFs e i fenomeni di aurore o le tempeste geomagnetiche, che potrebbero influenzare la frequenza e l'intensità degli eventi attraverso la loro azione sull'atmosfera superiore.

Le future missioni spaziali, come il satellite GLM (Geostationary Lightning Mapper) e il payload ASIM (Atmosphere-Space Interactions Monitor) sulla Stazione Spaziale Internazionale, promettono di fornire una quantità di dati senza precedenti sull'attività dei temporali e sull'emissione di raggi gamma associata. Queste osservazioni potrebbero consentire di sviluppare modelli predittivi per i TGFs, migliorando la nostra comprensione dei processi atmosferici estremi e delle loro implicazioni per il cambiamento climatico, per la sicurezza delle comunicazioni e per la protezione dagli eventi meteorologici catastrofici.

I Terrestrial Gamma-ray Flashes rappresentano uno dei più affascinanti misteri della fisica contemporanea, un fenomeno che ha aperto una finestra sulla complessità dei processi atmosferici e sulle loro connessioni con la fisica delle alte energie. Ogni temporale potrebbe nascondere un'implosione di raggi gamma che ci sfugge, un segreto che la natura ci svela a poco a poco e che ci spinge a guardare il cielo con occhi nuovi, consapevoli che anche il fenomeno più comune può celare meraviglie inimmaginabili.

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