CSES-Limadou è una collaborazione fra la CNSA e l‘Agenzia Spaziale Italiana a cui partecipano  INFN, INAF, INGV, il CNR e le Università di Roma Tor Vergata, Torino e Trento

08 Ottobre 2021

Nei giorni 3 e 4 ottobre si è svolto a Trento il meeting della componente italiana della missione satellitare CSES-Limadou, una collaborazione fra l’Agenzia Spaziale Cinese e l‘Agenzia Spaziale Italiana, a cui partecipano l’ INFN, l’INAF, l’INGV, il CNR e le Università di Roma Tor Vergata, Torino e Trento. Oltre 60 ricercatori hanno partecipato alla riunione, parte in presenza, parte in remoto.

Nel meeting, il terzo dopo il lancio del satellite CSES-01 il 2 febbraio 2018, sono stati presentati e discussi i risultati ottenuti dai vari strumenti a bordo, uno dei quali, il rivelatore per particelle cariche HEPD (High Energy Particle Detector), realizzato dalla collaborazione italiana. Il programma di ricerca viene sviluppato nell’ambito dell’accordo ASI-INFN “Scienza” lungo tre linee principali, tra loro fortemente connesse, relative alla investigazione di correlazioni tra fenomeni atmosferici, ionosferici, magnetosferici e fenomeni sismici, alla analisi e caratterizzazione della ionosfera e della magnetosfera terrestre, alla fisica solare e dei raggi cosmici.

Molto approfondita e particolarmente dibattuta è stata la discussione sul tipo di accoppiamento esistente tra la litosfera, lo strato più esterno della terra solida dove avvengono i terremoti, e gli strati sovrastanti dell’atmosfera neutra e ionizzata, cioè la ionosfera, composta da particelle ionizzate, e la magnetosfera, la regione dello spazio esterno al pianeta in cui il campo magnetico è confinato dal cosiddetto vento solare. E’ possibile monitorare i terremoti ed i maremoti dallo spazio? Esistono fenomeni affidabili e non ambigui che siano precursori di grandi terremoti e possano essere sfruttati per mitigare i danni causati da un grande sisma ? CSES-Limadou, la costellazione satellitare Sino-Italiana in corso di realizzazione, punta a rispondere a queste ed altre domande con l’utilizzo di strumenti avanzati per la misura delle variabili magnetosferiche e le proprietà delle particelle intrappolate nelle fasce di Van Allen. Al primo satellite CSES-01, attualmente in orbita, seguirà un secondo in corso di realizzazione, per un lancio previsto alla fine del 2022.

Uno dei metodi di analisi seguiti dalla collaborazione in questa esplorazione è lo studio della stabilità di invarianti magnetosferici, ionosferici e atmosferici. E’ iniziato con l’utilizzo dei dati raccolti da CSES-01, integrati con dati provenienti da altri satelliti e reti di osservazioni terrestri, per sviluppare un modello che dia una risposta al problema dell’accoppiamento litosfera-magnetosfera e possa essere sottoposto a una dettagliata verifica sperimentale. Si tratta del modello MILC (Magnetospheric-Ionospheric-Lithospheric-Coupling), pubblicato sul prestigioso giornale Scientific Report di Nature, che descrive in modo analitico e quantitativo come il moto della superfice liquida o solida del nostro pianeta sia in grado di generare, per i terremoti di magnitudo maggiore di 5, onde gravito-acustiche capaci di propagarsi fino alla ionosfera. Si tratta di fenomeni osservati anche nei fronti temporaleschi o nelle colonne termiche che si sviluppano nell’atmosfera. Una volta raggiunta la ionosfera, l’onda gravito-acustica genera un’onda di plasma ionizzato che a sua volta genera onde elettromagnetiche di bassa frequenza.

Questi fenomeni ionosferici influenzano a loro volta le fasce di Van Allen e la frequenza di risonanza delle linee di campo magnetico accoppiate al plasma, causando effetti rivelabili da satelliti in orbita bassa. Il modello MILC è stato verificato quantitativamente nel caso di 3 terremoti (Kobe-1998, Perù-2001, Fiji-2018): nel caso del terremoto dell’Aquila-2009, il modello ha inoltre previsto correttamente l’assenza di fenomeni di accoppiamento di tipo MILC. I risultati ottenuti grazie al modello MILC aprono la strada alla possibilità di monitoraggio dallo spazio di fenomeni sismici grazie ad una nuova forma di remote sensing basata su correlazioni di tipo causale fra le diverse variabili magnetosferiche che caratterizzano il modello. Lo studio dell’accoppiamento MILC di tipo co-sismico verrà esteso nel prossimo futuro alla ricerca di possibili effetti precursori di analogo meccanismo.

Un secondo approccio, perseguito principalmente dai ricercatori dell’INGV, si basa sullo studio della significatività statistica della variazione di quantità fisiche misurate e osservate dai satelliti o da terra. Infatti, un terremoto rilascia una enorme quantità di energia (per esempio un terremoto di magnitudo 6 rilascia un’energia meccanica corrispondente a quella liberata dalla bomba di Hiroshima). Uno dei principali obiettivi della missione CSES consiste nella rilevazione di eventuali piccolissimi effetti nella ionosfera dovuti alla fase di preparazione di grandi terremoti in tutto il mondo. Vengono pertanto studiati i processi possibilmente legati ai terremoti che si verificano nel sottosuolo (la litosfera), nell’atmosfera e nella ionosfera, analizzando i dati di alcuni dei molteplici sensori a bordo del satellite CSES-01, come i magnetometri, le sonde di Langmuir, eccetera. Questi studi permettono di ricercare e affinare le conoscenze sull’accoppiamento Litosfera-Atmosfera-Ionosfera (LAIC) prima e durante un forte terremoto, rivelando gli aspetti comuni di diversi eventi sismici tramite molteplici tecniche.

Dopo i diversi successi ottenuti nei primi quattro anni di progetto, come la dimostrazione su base statistica della correlazione tra disturbi in ionosfera e l’occorrenza dei terremoti (quanto prima questi disturbi avvengono, tanto più forte sarà l’evento), pubblicato anch’esso sulla rivista “Scientific Reports” ed aver trovato catene di segnali (una sorta di “effetto domino”) dai geostrati più bassi sino alla ionosfera, risultato pubblicato sulle principali riviste di “remote sensing”, il gruppo di ricerca sta preparando nuove analisi multiparametriche e ulteriori verifiche di questi effetti, in particolare con l’ausilio del dati del satellite CSES-01 che si è rivelato in diverse occasioni estremante utile per meglio capire questi delicati fenomeni.

La seconda linea di ricerca, finalizzata alla analisi e caratterizzazione della ionosfera e della magnetosfera terrestre, si è focalizzata su una attività di indagine multidisciplinare basata sulla grande varietà di dati raccolti da CSES-01 e da altri satelliti e osservatori a terra, al fine di migliorare la nostra conoscenza dell’interazione Terra-Sole. In particolare, il team di ricerca sulla ionosfera e magnetosfera ha supportato lo sviluppo del modello MILC con una capillare ricerca di effetti di natura esterna (Space Weather) sviluppata dai ricercatori della collaborazione che permette di discriminare tra potenziali segnali sismici e modulazioni indotte dall’attività solare. La caratterizzazione della ionosfera terrestre consente inediti approfondimenti sulla sua dinamica a varie scale spaziali e temporali utili per lo studio delle aurore polari, capaci di generare intense correnti elettriche che a loro volta possono causare danni alle reti elettriche nazionali.

Nella terza linea di ricerca, dedicata alla fisica solare e dei raggi cosmici ed alle fasce di Van Allen, sono stati discussi i risultati ottenuti con i dati acquisiti con il rivelatore HEPD sulla attività del sole nel periodo in orbita del satellite e sulla sua influenza nella modulazione in energia dei flussi dei raggi cosmici che raggiungono la Terra. Dalla data del lancio del satellite, HEPD ha registrato un altissimo numero di particelle di origine galattica, solare e magnetosferica in una zona di energia dalle decine ad alcune centinaia di MeV, range attualmente non esplorato da altri satelliti in orbita, e che permette di collegare le misure di CSES-01 con quelle di strumenti di più alta energia come PAMELA e AMS.

La collaborazione ha già pubblicato la misura dei flussi di protoni di origine galattica per il periodo 2018-2020 e nell’intervallo energetico 40-250 MeV. Al momento è in corso l’analisi dei dati di elettroni cosmici per i quali è stato già ottenuto un flusso preliminare, mentre sono allo stato iniziale gli studi sui nuclei dall’elio al ferro. Le variazioni di questi flussi in anti-correlazione con l’attività undecennale del Sole, registrate costantemente da HEPD, hanno verificato al momento un effetto di modulazione solare debole, dell’ordine di qualche punto percentuale, in accordo con il lungo minimo di attività che il Sole sta attraversando. Tuttavia, sono state osservate tre tempeste geomagnetiche, attualmente in fase di analisi, in concomitanza anche a fenomeni denominati “Forbush decrease”, causati dai campi magnetici trasportati dalle “Coronal Mass Ejections “ (CME) e dal vento solare che viaggia verso la Terra. Una tempesta in particolare, quella di Agosto 2018, è stata già frutto di due pubblicazioni scientifiche da parte della collaborazione.

Infine, molta attenzione è stata posta alla rivelazione di particelle intrappolate nelle fasce di Van Allen, registrate da HEPD nelle zone dell’orbita a bassa latitudine. In particolare, di grande rilevanza scientifica è la caratterizzazione della radiazione all’interno dell’Anomalia del Sud Atlantico (SAA), una zona che raccoglie un flusso molto intenso di protoni ed elettroni stabilmente intrappolati all’interno del campo magnetico terrestre. HEPD è particolarmente sensibile alle energie proprie di questa popolazione di particelle, ed ha fornito risultati di grandissima precisione sulla energia, angolo di inclinazione rispetto al campo magnetico terrestre e posizionamento dei protoni all’interno della SAA, che verranno pubblicati a breve. Anche gli elettroni “re-entrant” misurati da HEPD sono unici nel panorama scientifico internazionale, ed aiuteranno nella modellizzazione della morfologia e dinamica della magnetosfera.

Questi risultati saranno presentati al ”5th International Workshop of CSES Mission che si terrà dal 22 al 25 ottobre 2021 come contributo della componente italiana alla missione CSES-Limadou.

 La collaborazione CSES LIMADOU 

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