La rete dei Neutron Monitors: la ricerca fondamentale e applicazioni

Neutroni monitor sono dispositivi standard situati in diversi punti del globo. I conteggi di un singolo neutron monitor sono utilizzati per studiare i raggi cosmici primari sopra una certa soglia di energia e rigidità magnetica e provenienti da un numero limitato di direzioni. Dal momento che questi parametri dipendono fondamentalmente dalla posizione del neutron monitor sulla Terra, le reti di neutron monitor forniscono una migliore capacità di estrarre informazioni fisiche dai dati, come gli spettri di energia e le direzioni di propagazione delle particelle primarie. Esse ci danno anche l'opportunità di utilizzare i neutron monitors per allerte della meteorologia spaziale. Ciò richiede una banca dati in tempo reale tale come NMDB.

  1. Perché abbiamo bisogno di una rete di neutron monitors?
  2. Sviluppo storico


Perché abbiamo bisogno di una rete di neutron monitor?

I neutron monitors sono dispositivi standard situati in diversi punti del globo. L'altissimo tasso di conteggio, in confronto con rivelatori nello spazio, è il grande vantaggio competitivo dei neutron monitors. Questo permette alle stazioni di osservare variazioni molte piccole e a breve termine dell’intensità dei raggi cosmici (ampiezza di circa 0,5%), che non sono accessibili ai rivelatori nello spazio. D'altra parte, a differenza dei rilevatori spaziali, i neutron monitors non possono essere saturati da intense esplosioni di particelle solari energetiche. Un altro vantaggio del neutron monitors è la loro affidabilità a lungo termine e l’acquisizione automatica dei dati.

Il campo geomagnetico introduce due effetti che sono specifici per ogni località della Terra (vedi la discussione I raggi cosmici e la Terra):

  • una soglia a bassa rigidità (o soglia di bassa energia), sotto la quale le particelle provenienti dall’Universo non può raggiungere l'atmosfera sopra il monitor di neutroni,
  • un stretto cono di direzioni divista, all'interno del quale i raggi cosmici primari devono interferire con la magnetosfera, al fine di raggiungere il monitor di neutroni (maggiori informazioni qui).

A causa di queste specificità, è necessaria una rete di stazioni di monitoraggio di neutroni situati in diverse posizioni geografiche per caratterizzare il flusso di particelle cariche che arrivano alla magnetosfera, sia in direzione di arrivo e sia in funzione di rigidità o di energia. La combinazione della rete a livello mondiale di neutron monitors con l'atmosfera terrestre e la magnetosfera può quindi essere considerato come uno strumento unico con risoluzione direzionale e di energia. È per questo che i neutron monitors sono stati storicamente concepiti con un design standard. L'uso di tutte le stazioni come un rivelatore unificato multidirezionale rende anche la precisione notevolmente maggiore (< 0.1% per i dati di ogni ora) che per un unico strumento. La mappa qui sopra mostra la distribuzione dei neutron monitors in tutto il mondo.

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Reti di neutron monitors: la ricerca

Nel seguito si illustrano alcuni risultati che richiedono neutron monitors in luoghi diversi della Terra.

Il monitoraggio a lungo termine delle variazioni dei raggi cosmici

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Studi a lungo termine delle registrazioni dei neutron monitors hanno mostrato che, ad ogni stazione, il tasso di conteggio varia con il ciclo di attività solare. Questo è il fenomeno della modulazione solare dei raggi cosmici galattici. Al fine di indagare l'origine del fenomeno, non possiamo basarci sui conteggi di un neutron monitor - abbiamo bisogno di ricavare l'intensità dei raggi cosmici in funzione dell'energia delle particelle o della rigidità delle particelle. Dal momento che ogni neutron monitor è sensibile a raggi cosmici primari sopra una certa soglia di bassa rigidità (o bassa energia), che dipende dalla sua posizione sulla Terra, in particolare dalla sua latitudine, possiamo combinare le misurazioni delle stazioni a diverse latitudini, da regioni polari a equatoriali. Questo è stato fatto per ricavare la storia temporale a lungo termine dei raggi cosmici galattici come mostrato in questa figura, dove l'intensità dei raggi cosmici a rigidità 10 GV (energia cinetica 9 GeV) è tracciata e confrontata con l'evoluzione del numero delle macchie solari durante molti decenni.


Caratteristiche direzionali dei raggi cosmici solari

La rete ad alta latitudine è essenziale per misurare le anisotropie relative agli eventi transienti dei raggi cosmici, tali come gli eventi di particelle solari energetiche e gli effetti Forbush. Se le stazioni sono tutte situate in latitudini geomagnetiche comparabili, la loro soglia di rigidità sarà simile, ed eventuali differenze nei loro profili di conteggi devono essere attribuite alle diverse direzioni di arrivo dei raggi cosmici primari. Ciò è dimostrato dalle osservazioni della manifestazione solare dei raggi cosmici, del 20 gennaio 2005 con due neutron monitors che hanno soglie di rigidità non troppo diverse. Il picco iniziale è molto più alto alla stazione di Terre Adélie rispetto alle isole Kerguelen, perché durante questo evento specifico le prime particelle energetiche interferivano sulla magnetosfera terrestre da sud, a causa di un insolito orientamento del campo magnetico interplanetario. Se volete saperne di più sulle direzioni di vista dei neutron monitors, cliccare qui.

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Reti di neutron monitors e allerte di meteorologia spaziale (Space Weather)

Le reti di neutron monitors sono importanti per estrarre il massimo di informazioni scientifiche dalle misure. Ma le reti sono inoltre essenziali per l'utilizzo di monitor di neutroni nelle allerte dellai meteorologia spaziale, siano esse relative alle particelle solari energetiche o alle emissioni di massa coronale dirette alla Terra.

Allerte di particelle solari energetiche

Gli intensi flussi di particelle energetiche dal Sole (SEP = particelle energetiche solari) costituiscono un problema importante per le attrezzature dei veicoli spaziali e di altre tecnologie, per le comunicazioni radio nelle regioni polari, e anche per il volo spaziale umano (maggiori informazioni qui). Con la crescente dipendenza dalla tecnologia spaziale diventa sempre più necessario mettere a punto strumenti per la previsione di tali eventi. Protoni dei raggi cosmici solari e, eventualmente, i neutroni sono, oltre a elettroni ad alta energia, le particelle più veloci che raggiungono la Terra nel corso di un dato evento. Essi non sono numerosi, e quindi non sono di per sé un pericolo importante. Ma il loro arrivo segnala che qualche tempo dopo deve essere aspettata la maggior parte dei molto più numerosi protoni e ioni di più bassa energia. Poiché i raggi cosmici solari sono sempre prodotti in grandi eventi, dove il numero di protoni e ioni a energie più basse è tra i più alti, le reti di monitoraggio di neutroni possono essere utilizzati per sviluppare sistemi di allarme in tempo reale, SEP alerts. Ci sono due requisiti fondamentali per una simile segnalazione: predire gli eventi in modo affidabile, ed evitare falsi allarmi.

Per questo scopo l'importanza dei dati in tempo reale dei neutron monitors è una delle motivazioni per il progetto NMDB. Nell'ambito di questo progetto abbiamo sviluppato un sistema di allarme, utilizzando i dati provenienti da almeno tre stazioni di monitoraggio di neutroni ad alte latitudini - in quanto questi sono i più sensibili a causa della soglia di rigidità geomagnetica - e la loro combinazione con X soft-ray di dati da satelliti al fine di controllare se un flare è in corso. Quando in un dato neutron monitor il conteggio eccede la media mobile di una certa quantità durante alcune successive misure al minuto, uno “station alert” è fissato. Si ritiene che un GLE (Ground Level Enhancement) possa essere predetto quando almeno tre stazioni sono nella modalità di alert e un canale X-ray mostra che un flare sia partito.

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Raggi cosmici come un primo allarme di le emissioni di massa coronale geo-efficace

Ma non sono solo le particelle veloci che svolgono un ruolo nella meteorologia spaziale. Le emissioni di massa coronale (CMEs) che si propagano attraverso lo spazio interplanetario possono generare una tempesta geomagnetica, quando urtano la magnetosfera terrestre. La perturbazione del campo magnetico terrestre induce correnti elettriche che possono interferire con le apparecchiature tecniche sul terreno, soprattutto nelle regioni polari della Terra, e anche con l’elettronica nello spazio. Le misurazioni dei neutron monitors sono in grado di fornire un tempestivo allarme dell'arrivo di una CME diretta verso la Terra, perché questi disturbi modificano la propagazione dei raggi cosmici galattici in eliosfera.

Quando una rapida espulsione di massa coronale viaggia attraverso lo spazio interplanetario (ICME), alla guida di un onda d'urto di fronte ad essa, colpisce la propagazione dei raggi cosmici galattici e le loro direzioni di arrivo a terra (maggiori informazioni qui). Come un onda d'urto può riflettere particelle cariche, i raggi cosmici sono ridotti dietro lo shock. Dal momento che i raggi cosmici si propagano molto più velocemente del ICME, il loro monitoraggio può essere utilizzato per fornire informazioni sulla regione disturbata con largo anticipo sul suo arrivo a Terra. Le indicazioni di previsione delle ICMEs erano effettivamente individuate nei dati dei neutron monitors prima dell'inizio di forti tempeste magnetiche e grandi effetti Forbush. Da dettagliate ricerche di questi effetti è emerso che le indicazioni dei precursori possono essere una diminuzione o un aumento del tasso di conteggio dei raggi cosmici.

Le diminuzioni del precursore risultano evidenti quando una stazione di neutron monitor è magneticamente collegata alla regione a valle dello shock impoverita di raggi cosmici (il che significa dietro lo shock). Ma per la stessa ragione, la riflessione allo shock, ci si aspetta che un flusso in aumento nei raggi cosmici di fronte allo shock (upstream region). Se la terra è connessa a questa regione, i neutron monitor sono in grado di rilevare un aumento dell'intensità dei raggi cosmici prima dello shock della ICME. L'effetto shock è più evidente sulla distanza corrispondente ad un orbita circolare della particella dei raggi cosmici nel campo magnetico (il raggio di Larmor) di fronte allo shock. Per protoni di rigidità 10 GV, in condizioni di quiete del campo magnetico interplanetario di media intensità prima dell’arrivo dello shock (circa 5 nT), il raggio di Larmor è circa 0.04 UA (1 dia unità astronomica = media distanza Terra – Sole). Uno shock a 500 km / s ha bisogno di circa 4 ore per percorrere questa distanza prima di arrivare a terra. Quindi, queste anomalie sono più spesso osservate nelle ultime ore prima dell'arrivo dello shock. La rete di monitoraggio di neutroni è in grado di identificare queste indicazioni e quindi emettere un avviso di imminente inizio di una tempesta geomagnetica.

Questa figura mostra un esempio: si tratta di una mappa delle variazioni di intensità dei raggi cosmici in funzione della direzione asintotica di arrivo (asse verticale) e tempo (giorni frazionati, asse orizzontale). Cerchi rossi indicano una diminuzione di intensità e cerchi gialli - un aumento. La dimensione del cerchio è proporzionale alla ampiezza della variazione dei raggi cosmici. La linea verticale indica il momento in cui lo shock è arrivato sulla Terra. A partire da quel momento l'intensità dei raggi cosmici è diminuita in tutti i neutron monitors, come mostrato dai cerchi rossi sparsi. Ma l'immagine mostra chiaramente che diminuisce l'intensità dei raggi cosmici che prima sembrava ben all'interno di una zona ristretta di longitudine 135 ° -180 °, che corrisponde alla direzione del campo magnetico interplanetario. Questa peculiarità è diventata particolarmente pronunciata dal 7 settembre ~ 23:00 UT (24 ore prima dell'arrivo dello shock a terra!). La depressione dell’intensità dei raggi cosmici allineati al campo magnetico segnala che la linea del campo magnetico interplanetario attraverso la Terra è stata collegata con una regione che ha impedito l'arrivo dei raggi cosmici - la regione dietro lo shock della ICME che sta viaggiando verso la Terra. In questo modo l'osservazione in tempo reale dei raggi cosmici tramite la rete mondiale di neutron monitors potrebbe servire per mettere in guardia anticipatamente circa l’orario d’arrivo della ICME.

Lo sfruttamento di questo strumento per i servizi operativi è un progetto per il futuro. L'immagine qui sopra è stata ottenuta utilizzando circa 45 neutron monitors. Con questo numero di stazioni tutte le longitudini di arrivo sono osservate in ogni istante. Durante la rotazione con la Terra, ogni stazione scansiona un giro completo delle longitudini, durante una giornata, e, vengono usate più stazioni in locazioni diverse, l'immagine che si ottiene è.la più completa. Se abbiamo solo una stazione in ogni istante, sarà scansionata una sola direzione di longitudine. Le sole stazioni Europee e quelle vicine da sole non saranno sufficienti: lo stesso esempio di sopra è descritto in queste Figure con i soli dati europe (a sinistra) ed europee + stazioni Russe (a destra), quindi da una gamma ristretta di longitudini. Aspetti del precursore sono ancora visibili, ma solo sporadicamente, per cui non è sufficiente per un sistema affidabile di allarme.

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Sviluppo storico

Storicamente, la rete dei neutron monitori è iniziata da J.A. Simpson, che ha inventato il suo strumento per la registrazione dei raggi cosmici generati da neutroni atmosferici nel 1948. Presso le molte stazioni dell’attuale rete mondiale è iniziato il monitoraggio continuo di questo componente di neutroni a partire dal luglio 1957, con l'inizio ufficiale della Anno Geofisico Internazionale (IGY).

Il primo periodo: Anno Geofisico Internazionale e neutron monitor IGY

Nel 1957 - 1958 la ricerca è stata condotta nell'ambito del piano IGY, e subito dopo, nel 1959, il programma di CIG (Geofisics Internazional Collaboration), proseguiva come un prolungamento del IGY. Il 15 settembre 1957 il World Data Center (WDC-B2) è stato creato nel IZMIRAN, Mosca (NIZMIR). In questo luogo tutte le osservazioni provenienti da tutto il mondo sarebbero state raccolte attraverso lo scambio di dati. Allo stesso tempo, i dati ottenuti dalle stazioni sovietica e la Comunità europea-regioni asiatiche sono state trasmesse ai centri di dati negli Stati Uniti (WDC-A) e Giappone (WDC-C). Questo scambio di dati ha stabilito la comprensione reciproca e i contatti tra gli scienziati di tutti i paesi.

Il rinnovo della rete: i monitor di neutroni NM64

Negli anni sessanta, l'attività scientifica internazionale sullo studio dei raggi cosmici è in continua espansione, in particolare nell'ambito dell'Anno internazionale del Sole quieto (IYQS). Nel 1964 un nuovo tipo di neutron monitor (NM64) è stato creato da Hatton e Carmichael, con contatori più grandi, al fine di garantire una migliore precisione statistica. Le stazioni della vecchia rete sono state riattrezzate e i nuovi supermonitors sono stati installati nelle nuove stazioni. L'evoluzione del numero di stazioni dotate di IGY e supermonitor NM64 e l'evoluzione dei tassi di conteggio possono essere visti in figura.

Verso una banca dati in tempo reale

Per la prima volta i dati di neutron monitors (dalla stazione di Mosca) sono stati pubblicati su Internet per la consultazione in tempo reale nel 1997, questo ha portato, di fatto, ad una nuova era nella raccolta in tempo reale, elaborazione e presentazione dei dati.

Al momento la rete mondiale, composta da circa 50 neutron monitors opera con diverse specifiche caratteristiche energetiche e risposte ai raggi cosmici primari. Tutti i neutron monitors funzionano in modo continuo con 1 - o 5 - intervalli di un minuto nella raccolta dei dati. La maggior parte delle stazioni (circa 30) presentano i loro dati su Internet in tempo reale. Dal gennaio 2008 è in fase di sviluppo un progetto di e-Infrastructures sostenuto dalla Commissione Europea nell'ambito del Settimo programma quadro (nella sezione "Capacità"),The high-resolution Neutron Monitor Database (NMDB). Questo sforzo si concentra sullo sviluppo di un vero e proprio database in tempo reale per le misure di neutroni ad alta risoluzione registrate dai neutron monitors, di inserire i dati di neutroni, come più monitors possibili. L'obiettivo principale è lo sviluppo di un archivio digitale con i dati di raggi cosmici che sarà disponibile via internet per una vasta gamma di comunità di utenti, attraverso l'accesso diretto alla banca dati tramite interfacce web standard.

Gli sviluppi futuri possono essere previsti in base ai dati di raggi cosmici relativi ad altre misurazioni scientifiche (ad esempio le reti di telescopi muoni) che potrebbero anche essere riuniti in questa nuova banca dati di raggi cosmici.

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