I raggi cosmici come sonda: così i muoni svelano l’elettricità nascosta dei temporali
Un nuovo studio mostra come le particelle dei raggi cosmici possano aiutare a sondare i potenti campi elettrici all’interno dei temporali
Trieste, 2 ottobre 2026 – Uno strumento costruito per studiare i raggi cosmici si è rivelato un potente mezzo per indagare i temporali. Osservazioni precedenti con il telescopio per muoni GRAPES-3 avevano mostrato che le nubi temporalesche possono sviluppare differenze di potenziale elettrico molto superiori a quelle mai misurate direttamente.
Ma avevano anche fatto emergere un enigma: lo strumento rilevava molti più eventi temporaleschi nella parte orientale del proprio campo visivo che in quella occidentale. Un nuovo studio dello stesso gruppo, pubblicato su JCAP, ha ora spiegato il perché.
L’asimmetria non significa che i temporali siano realmente più frequenti a est. Dipende invece dal modo in cui il campo geomagnetico influenza i raggi cosmici che attraversano la magnetosfera terrestre, rendendo GRAPES-3 più sensibile ai temporali provenienti da alcune direzioni rispetto ad altre. Il risultato rafforza l’idea che queste particelle dei raggi cosmici possano essere utilizzate come una sonda naturale dell’elettricità nei temporali.
I raggi cosmici sono un flusso continuo di particelle ad altissima energia che raggiungono la Terra dallo spazio. La maggior parte dei raggi cosmici primari è costituita da protoni. Essendo elettricamente carichi, le loro traiettorie vengono deviate dal campo magnetico terrestre. Quando entrano nell’atmosfera, collidono con i nuclei atomici dell’aria, generando sciami di particelle secondarie.
Tra queste ci sono i muoni, particelle cariche di breve vita prodotte ad alte energie e capaci di viaggiare a velocità prossime a quella della luce. “I raggi cosmici che rileviamo al livello del suolo sono costituiti prevalentemente da muoni – spiega Sunil Gupta del Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) di Mumbai, in India, uno degli autori dello studio – Sono particelle con un grande potere penetrante”.
GRAPES-3, situato a Ooty, in India, comprende un telescopio per muoni di 560 metri quadrati, che registra circa quattro miliardi di muoni ogni giorno.
I muoni positivi e negativi non raggiungono il rivelatore in ugual numero. Poiché i raggi cosmici primari sono per lo più carichi positivamente, anche i muoni positivi sono più abbondanti nell’atmosfera. I fisici descrivono questo squilibrio attraverso il rapporto di carica dei muoni, cioè il rapporto tra muoni positivi e negativi, che normalmente è maggiore di uno.
Proprio questo squilibrio consente a GRAPES-3 di fare qualcosa per cui non era stato progettato: sondare i temporali.
Usare particelle provenienti dallo spazio per guardare dentro i temporali
All’interno di una nube temporalesca le cariche elettriche si separano, producendo intensi campi elettrici e grandi differenze di potenziale. Quando i muoni attraversano queste regioni, il campo elettrico agisce in modo opposto sulle particelle positive e negative, in genere rallentando i muoni positivi e accelerando quelli negativi.
Se fossero presenti quantità uguali di muoni positivi e negativi, questi effetti tenderebbero in gran parte a compensarsi, lasciando quasi invariato il flusso totale di muoni.
“Se la natura fornisse lo stesso numero di muoni positivi e negativi in tutto il campo visivo, con l’attuale configurazione non saremmo in grado di osservare il fenomeno dei temporali”, spiega Hari Haran Balakrishnan del TIFR, primo autore del nuovo studio.
Poiché i muoni positivi sono più abbondanti, però, i temporali producono una variazione piccola ma misurabile nel flusso totale di muoni, permettendo ai ricercatori di ricavare informazioni sul potenziale elettrico all’interno della nube temporalesca.
“I muoni sono davvero un regalo ideale per questo tipo di studi – afferma Gupta – Sono come una corrente elettrica che attraversa l’atmosfera”.
In uno studio precedente, il gruppo GRAPES-3 aveva già ottenuto un risultato notevole. “Siamo riusciti a misurare un potenziale di 1,3 gigavolt in un temporale”, ricorda Gupta.
L’idea che i temporali possano generare potenziali di questa scala non è nuova. Già negli anni Venti il fisico Charles Thomson Rees Wilson, premio Nobel nel 1927, aveva ipotizzato che le nubi temporalesche potessero raggiungere tensioni enormi di questo tipo. Eppure le misurazioni dirette avevano raggiunto in precedenza soltanto circa 130 milioni di volt, oltre un ordine di grandezza in meno.
Il mistero est-ovest
Quelle osservazioni avevano però rivelato anche un altro risultato inatteso. Tra aprile 2011 e dicembre 2020, GRAPES-3 ha rilevato 487 eventi temporaleschi. Di questi, l’81,5% appariva nella parte orientale del campo visivo dello strumento, mentre soltanto il 13,7% appariva a ovest: una differenza di quasi sei a uno.
C’era qualcosa di insolito nelle condizioni meteorologiche locali? A quanto pare no. Utilizzando una rete indipendente di strumenti che monitora il campo elettrico atmosferico, i ricercatori hanno verificato che i temporali reali non mostravano una preferenza comparabile per il settore orientale.
La spiegazione va invece cercata nel cosiddetto effetto est-ovest, noto da quasi un secolo. Poiché le particelle cariche vengono deviate dal campo magnetico terrestre, i raggi cosmici positivi riescono a raggiungere l’atmosfera più facilmente da alcune direzioni rispetto ad altre. Le particelle positive a più bassa energia provenienti da est vengono filtrate in modo più marcato rispetto a quelle provenienti da ovest.
Questa soglia direzionale, nota come cutoff geomagnetico, varia significativamente all’interno del campo visivo di GRAPES-3.
Per verificare se questo fenomeno potesse spiegare l’asimmetria osservata, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer per modellare la produzione e la propagazione dei muoni nell’atmosfera. Le simulazioni hanno mostrato che l’equilibrio tra muoni positivi e negativi cambia a seconda della direzione: il rapporto di carica dei muoni è circa 1,37 a est e 1,14 a ovest.
“Non è che il voltaggio sia diverso”, spiega Gupta: i temporali a est non sono necessariamente più potenti dal punto di vista elettrico. È piuttosto il maggiore squilibrio tra muoni positivi e negativi in quella direzione a rendere GRAPES-3 più sensibile ai loro effetti elettrici.
Le simulazioni supportano questa spiegazione: quando si tiene conto del rapporto di carica dei muoni dipendente dalla direzione, emerge una forte asimmetria est-ovest, simile a quella osservata nei dati. Quando invece si impone lo stesso rapporto in entrambe le direzioni, l’asimmetria scompare.
Comprendere questo effetto è quindi essenziale per utilizzare GRAPES-3 come sonda affidabile dell’elettricità nei temporali. Le misurazioni dirette del potenziale elettrico all’interno delle nubi temporalesche sono notoriamente difficili. In genere richiedono strumenti trasportati da aerei o palloni meteorologici all’interno o in prossimità di temporali attivi, rendendo difficile campionare un fenomeno ampio e in rapida evoluzione. I muoni offrono un approccio diverso: attraversano continuamente l’atmosfera e possono essere monitorati da terra.
GRAPES-3 è stato costruito per studiare le particelle provenienti dallo spazio e indagare la fisica dei raggi cosmici. Eppure oggi quelle stesse particelle stanno aiutando i ricercatori a comprendere uno dei fenomeni più familiari – e ancora sorprendentemente misteriosi – del nostro pianeta: i temporali.
(foto: Pixabay)
