La collaborazione scientifica

Cosa c’entra un neutrino, una delle particelle piu’ sfuggenti conosciute, con un capodoglio, uno dei mammiferi piu’ grossi del pianeta? Assolutamente niente direte voi, e invece sbagliate.

Senza giocare agli indovinelli, vi vorrei raccontare di una ricerca, a mio avviso molto importante, nata con uno scopo e che in corso d’opera ne ha trovato uno ulteriore altrettanto interessante.

Come sapete, lo studio dei neutrini cosmici e’ molto importante perche’ attraverso la misura del numero di queste particelle, e’ possibile individuare e studiare sorgenti astronomiche come stelle di neutroni, buchi neri, pulsar, ecc. Il problema di queste particelle e’ che, come si dice in fisica, hanno una “sezione d’urto” molto piccola, cioe’ hanno una probabilita’ di interagire con la materia estremamente bassa. Per poter osservare i neutrini e’ prima di tutto necessario eliminare le altre tantissime particelle che arrivano dal cosmo e che rendono la loro osservazione impossibile dal momento che questi segnali sarebbero completamente sommersi in mezzo a tanti altri. A questo punto, per contare i neutrini si devono sfruttare le reazioni poco probabili che queste particelle hanno con alcuni mezzi. Una delle tecniche maggiormente utilizzate e’ quella del rivelatore Cherenkov ad acqua. Passando attraverso questo liquido, i neutrini possono interagire producendo radiazione Cherenkov, cioe’ una piccolissima scia luminosa indicante appunto il loro passaggio. Vista la bassa probabilita’ di avere questi aventi, e’ necessario avere dei volumi di acqua molto grandi e, ovviamente, dei sensori in grado di captare l’eventuale luce.

Detto questo, molti osservatori per neutrini sono stati realizzati posizionando rivelatori sul fondo dei mari. Questa soluzione offre un ottimo schermo alle altre particelle e soprattutto un notevole volume di liquido gratuito e sempre disponibile.

Uno degli ultimi esperimenti in corso di realizzazione e’ chiamato Km3net dell’Istituto nazionale di fisica nucleare a cui collaborano molti ricercatori italiani e stranieri. Questo esperimento prevede il posizionamento di alcune torri sottomarine nel mediterraneo, su cio posizionare sfere di fotomoltiplicatori, cioe’ dispositivi in grado di traformare le tracce luminose lasciate dai neutrini in segnali elettrici leggibili.

Una delle sfere di Km3net con i fotomoltiplicatori

Una delle stazioni di Km3net e’ stata posizionata in Sicilia, 80 Km a largo di Capo Passero. I fotomoltiplicatori sono stati posizionati su una torre di circa 400 metri, ancorata al fondo del mare che in quel punto ha una profondita’ di circa 2000 metri.

Sfruttando la particolare posizione della torre, in collaborazione con biologi marini di varie universita’, si e’ ben pensato di installare sulla struttura anche misuratori acustici. Questa soluzione e’ stata adottata perche’ consente di monitorare il passaggio di capodogli ma soprattutto consente di mappare l’inquinamento acustico sottomarino.

Perche’ si parla di inquinamento acustico sottomarino?

Come potete facilmente immaginare, il passaggio di navi nei mari, provoca rumori in profondita’. Proprio questi rumori possono disturbare i mammiferi acquatici che si trasmettono segnali acustici sottomarini. Secondo alcune teorie, questi disturbi possono notevolmente ridurre la distanza di comunicazione tra capodogli ma, soprattutto, potrebbero essere responsabili degli spiggiamenti che ogni tanto si verificano sulle coste.

Gia’ ai tempi del primo prototipo di Km3net in Sicilia nel 2005, lo strumento era riuscito ad ascoltare il passaggio di questi stupendi mammiferi. Ora, con il rivelatore finale, piu’ grande e performante, oltre ad individuare il loro passaggio, i sensori sono in grado di determinare anche la grandezza dei mammiferi. Questa soluzione e’ fondamentale per fare un censimento della popolazione di capodogli nei nostri mari.

Da quando e’ stato installato, questo rivelatore non solo e’ riuscito ad osservare il passaggio di diversi animali, ma soprattutto si e’ scoperto che la popolazione e’ maggiore di quanto ci si aspettasse e che i capodogli si trovano anche in zone che prima si pensavano poco battute da questi animali.

Come potete vedere, si tratta di uno splendido esempio di ricerche congiunte, in cui con una sola spesa si riesce a mettere insieme diversi campi di studio, con analisi diverse ma tutte molto importanti. Sicuramente, dal punto di vista biologico, i rivelatori installati consentiranno di avere una stima molto precisa del numero di cetacei presenti nei nostri mari, della loro grandezza ma, soprattutto, consentiranno di studiare con precisione l’effetto che l’inquinamento acustico sottomarino puo’ avere su questi animali. A questo punto non resta altro da fare che aspettare di raccogliere tanti dati per avere una buona statistica sia di capodogli che di neutrini.

 

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Il sistema di posizionamento Galileo

Notizia fresca di questi giorni, che forse avrete letto anche sui  giornali, e’ stato lanciato il quarto satellite del sistema di navigazione e localizzazione Galileo. L’insieme dei quattro satelliti ha dato ufficialmente il via alla ricezione di questo sistema di localizzazione europeo.

Il principio di funzionamento, cosi’ potete leggere, e’ come quello del GPS americano, ma in questo caso si tratta di un sistema tutto europeo. Al momento sono in orbita 4 dei 30 satelliti previsiti che formerano la costellazione appunto del sistema Galileo.

Bello direte voi, ma questa notizia dovrebbe suscitare un po’ di curiosita’ e soprattutto una serie di domande lecite che vorrei condividere con voi: come funziona il GPS? Perche’ se c’era quello americano ne dobbiamo fare uno europeo? Che vantaggi comporta?

Tutte domande lecite a cui proveremo a dare una risposta semplice e accessibile a tutti.

Al solito, provate a fare un esperimento-intervista. Chiedete, anzi chiedetevi, come funziona il GPS che avete in macchina, sul cellulare, sul portatile, ecc. Molto spesso la risposta data e’ la seguente: semplice, si accende un antenna, questa comunica con un satellite che ci localizza e il gioco e’ fatto, otteniamo un puntino su una mappa che indica la nostra posizione “esatta”. Una risposta del genere e’ completamente sbagliata in diversi punti. Se questa e’ stata la vostra risposta, forse e’ il caso di continuare la lettura.

Partiamo dall’inizio. Abbiamo il problema di localizzare la nostra posizione in un punto qualsiasi della Terra. Come facciamo? Semplice, utilizziamo dei satelliti. Se non altro, l’utilizzo di satelliti ci permette, in linea di principio, di essere sempre localizzabili indipendentemente dalla posizione. In Europa, in Asia, nell’oceano, se alzate la testa vedete il cielo e quindi potenzialmente il satellite.

Satelliti visibili dal ricevitore nel tempo

In realta’, non e’ proprio esattamente cosi’. Un solo satellite che gira intorno alla Terra non sarebbe sempre visibile. Per dirla tutta, un solo satellite non consentirebbe neanche di localizzarci, ma ne servono ben quattro visibili da dove siamo. Su questo torneremo tra poco. Dunque, un solo satellite non basta ne servono 4. Per questo motivo, la costellazione di satelliti GPS e’ formata da un numero grande di oggetti in orbita in modo da poter garantire sempre ed in ogni punto la visibilita’ di almeno 4 satelliti. L’immagine riportata permette di chiarire molto bene questo concetto. Come vedete, mentre i satelliti girano intorno alla Terra, viene riportato in ogni istante il numero di satelliti visibili. Affinche’ la vostra rete sia funzionale, questo numero non deve mai essere minore di quattro.

Fin qui ci siamo. Abbiamo bisogno di 4 satelliti. Non abbiamo ancora risposto alle domande iniziali, anzi ne abbiamo aggiunta un’altra: perche’ 4 satelliti?

Cerchiamo ora di capire come funziona il GPS. In realta’, l’antenna del vostro sistema non comunica affatto con i satelliti, ma e’ solo un “ricevitore” di segnali. In ogni istante, i satelliti inviano verso la terra dei segnali che l’antenna e’ in grado di ricevere. Questi segnali sono di tipo orario, cioe’ contengono l’informazione sull’ora del loro invio. Il metodo di localizzazione si basa appunto sulla differenza di tempo tra l’invio del segnale da parte del satellite e la sua ricezione dall’antenna. Conoscendo la velocita’di propagazione del segnale, dalla differenza di tempo possiamo ricavare la distanza del ricevitore dal satellite.

Ora, dovendo posizionare un punto sulla mappa corrispondente al ricevitore, avete bisogno di 3 informazioni: latitudine, longitudine e altitudine. Avete cioe’ 3 incognite da calcolare. Come ricorderete dalla matematica, per risolvere un sistema di 3 incognite c’e’ bisogno di 3 equazioni indipendenti. 3 equazioni significa dunque avere l’informazione contemporaneamente da 3 satelliti. Proprio per questo motivo si parla di “triangolazione” della posizione.

Ricapitoliamo: 3 incognite per la posizione esatta, 3 equazioni che sono i 3 satelliti, e fin qui ci siamo. Perche’ prima parlavamo di 4 satelliti?

Abbiamo detto che tutto il gioco si basa sulla misura del tempo impiegato dal segnale per andare dal satellite al ricevitore. Detto proprio semplicemente, il satellite manda un segnale dicendo sono le 12.00 il ricevitore ascolta il segnale, vede che sono le 12.01 e quindi capisce che e’ passato un minuto (in realta’ la differenza temporale e’ tipicamente dell’ordine dei millisecondi). Facile a dirsi ma non a farsi. Affinche’ questo gioco funzioni, i satelliti ed il ricevitore devono essere perfettamente sincronizzati.

I satelliti del GPS utilizzano degli orologi atomici al Cesio o al Rubidio, estremamente precisi, ma che costano piu’ o meno 200000 euro l’uno. Il nostro piccolo e economico ricevitore certamente non dispone di un sistema del genere. Dunque, per localizzare il punto non servono piu’ 3 incognite bensi’ 4, compreso il tempo. Il quarto satellite serve appunto per determinare anche l’informazione temporale.

Solo per completezza di informazione, la localizzazione GPS sarebbe impossibile senza le dovute correzioni date dalla relativita’ di Einstein. Il tempo sul satellite scorre ad un ritmo leggermente piu’ veloce rispetto alla Terra (dilatazione dei tempi). Se questo effetto non fosse incluso, le misure dei tempi di percorrenza sarebbero sistematicamente sbagliate. La funzionalita’ del GPS e’, se vogliamo, anche una conferma pratica dell’esistenza della relativita’.

Dunque, abbiamo capito come avviene la localizzazione. Torniamo ora al discorso satelliti. In ogni istante ed in ogni punto della Terra devo dunque poter vedere almeno 4 satelliti. Quello che oggi chiamiamo GPS sfrutta, come detto all’inizio, la costellazione di satelliti americani chiamata NAVSTAR GPS costituita in tutto da 31 satelliti. Questi sono disposti su sei piani orbitali con un’inclinazione di 55 gradi sul piano equatoriale. Maggiore e’ il numero di satelliti utilizzati simultaneamente, minore e’ l’incertezza con cui si possono ricavare le incognite, e dunque la posizione del ricevitore.

La precisione attuale del NAVSTAR e’ dell’ordine di qualche metro. Fino a prima del 2000, la qualita’ del sistema per uso civile era dell’ordine dei 200 metri a causa dela distorsione fatta appositamente sui segnali per uso civile, mentre per gli usi militari veniva data qualita’ massima. Questa distinzione, detta anche “disponibilita’ selettiva” e’ stata eliminata su volere del presidente Clinton e, di fatto, ha aperto la strada ai sistemi GPS portatili per scopi civili.

Abbiamo risposto gia’ a 2 domande su 3. Sappiamo ora come avviene la localizzazione e perche’ servono 4 satelliti. Torniamo ora a Galileo.

Galileo prevede una costellazione di 30 satelliti che diverra’ pienamente operativa a partire dal 2014. Ad oggi, e sappiamo ora anche il perche’, sono stati lanciati 4 satelliti e dunque e’ possibile fare i primi studi sui segnali e cominciare a testare la qualita’ del sistema.

Perche’ fare un nuovo sistema se c’e’ gia’ quello americano? In realta’, in orbita ci sono due sistemi di navigazioni indipendenti, il NAVSTAR americano e il GLONASS russo, quest’ultimo pero’ scarsamente manutenuto negli ultimi tempi. La motivazione del Galileo e’ piu’ politica che scientifica. Il NAVSTAR e il GLONASS per uso civile sono sempre subordinati all’effettivo utilizzo militare dei due paesi. In qualsiasi momento, uno dei due paesi potrebbe decidere di chiudere il servizio civile per un qualsiasi motivo. Non pensate soltanto al navigatore della vostra automobile, il GPS e’ utilizzato in tutti i sistemi di navigazione civili come aerei, navi, antifurti satellitari, ecc. Una, seppur improbabile (forse), decisione del genere causerebbe un danno irreparabile. La necessita’ dunque di interrompere un monopolio di localizzazione ha spinto i paesi europei ha dotarsi di un proprio sistema satellitare.

Inoltre, a differenza di quello made in USA, il Galileo gode dei finanziamenti di diversi paesi attraverso la comunita’ europea e non solo. Diversi paesi extraeuropei, come Israele, Cina e Russia (come integrazione del GLONASS), stanno contribuendo a Galileo appunto per assicurare un servizio civile costante.

Solo per completezza, esistono anche dei sistemi minori di tipo regionale attualmente in fase di studio. Sia l’India che la Cina stanno infatti portando avanti gli studi per dotarsi di sistemi proprietari esclusivi non globali. In questo caso, ma si tratta di una mia considerazione personale, programmi di questo tipo servono soltanto per prendere confidenza e dimostrare agli altri la possibilita’ di accedere allo spazio mediante satelliti. Come sappiamo, si tratta di economie definite “emergenti”, anche se ormai emerse del tutto, e proprio per questo interessate alla corsa allo spazio su tutti i fronti.

Concludendo, i primi 4 satelliti di Galileo sono in orbita. Nel giro di qualche anno la costellazione di satelliti dovrebbe essere completata e funzionante. Questo sistema, parallelo al NAVSTAR, consentira’ la localizzazione sulla Terra garantendo la funzionalita’ civile sempre e indipendentemente dalla situazione politica. Dal punto di vista economico, ci saranno vantaggi anche per le aziende europee che potranno produrre e commercializzare ricevitori per Galileo mentre prima con il NAVSTAR questo settore era riservato ad aziende americane.

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Nuvole Sismiche

In diversi post abbiamo parlato della possibilita’ o meno di prevedere per tempo i terremoti:

– Emilia 13-16 Luglio: un po’ di statistica

– Riassunto sui Terremoti

– Innalzamento dei pozzi in Emilia prima del sisma

Purtroppo, come detto, alla stato attuale non esiste un metodo scientificamente provato per prevedere intensita’ ed epicentro di un terremoto. Gli unici studi che ci possono dare un’indicazione del rischio sismico sono basati su metodi statistici, fatti prendendo in considerazione studi geologici dei terreni e storia sismica della zona.

Vogliamo tornare su questo argomento, per parlare dei cosidetti “precursori sismici”. Con questo termine si indicano tutti quegli eventi che, in teoria, potrebbero accadere “prima” del terremoto e dare in questo modo un’indicazione precisa dell’imminente scossa. In questo blog abbiamo gia’ visto alcuni eventi considerati da alcuni come precursori dei terremoti: vulcanelli, innalzamento del livello di falda, ecc. Come spiegato pero’, questi non sono dei precursori del sisma, bensi’ delle conseguenze dello stesso.

A livello scientifico, c’e’ invece una discussione in corso su alcuni fenomeni di natura elettromagnetica e meteorologica che potrebbero indicare l’imminenza di un forte terremoto. Cercando sulla rete, potete trovare decine di siti che parlano di: lampi globulari, colonne di fuoco che vengono sprogionate dalla Terra, globi di luce orbitanti a bassa quota, ecc. Al solito, su queste discussioni, verita’ scientifiche e leggende si mescolano insieme creando un “effetto confusione” in cui e’ difficile distinguere cosa c’e’ di giusto dalle bufale.

Prima di parlare di precursori sismici, permettiamoci una riflessione. Individuare un evento caratteristico antecedente al terremoto non e’ facile. La maggior parte di questi fenomeni avvengono in tempi brevissimi e in zone estremamente limitate. Per questo motivo, spesso ci si deve affidare alle testimonianze dirette delle persone piuttosto che a dati scientifici. Come potete ben immaginare, distinguere testimonianze veritiere da racconti non e’ sempre facile. Inoltre, prima di annunciare un sisma di forte intensita’, bisogna averne la certezza assoluta. Immaginate uno scenario del genere: viene fatto l’annuncio che nel giro di 15 minuti ci sara’ un forte terremoto in una grande citta’ come Roma, Napoli o Milano. Provate ad immaginare il caos creato da questa affermazione. Si rischia di avere piu’ morti nell’evacuazione di emergenza che a causa del terremoto. E se poi la notizia si rivelasse infondata? E se invece avessimo sbagliato l’epicentro e questo fosse, ad esempio, a 50 Km di distanza dove non abbiamo fatto evacuare?

Ovviamente non sto nascondendo nessuna informazione vitale alla popolazione. Questo ragionamento ci fa solo capire che prima di poter annunciare un evento del genere si deve avere la certezza assoluta di quello che stiamo facendo.

Tornando ai precursori sismici, come detto in precedenza, gli studi principali sono legati ai cambiamenti elettromagnetici del terreno e a fenomeni ad essi legati. Come sappiamo i terremoti sono causati dai movimenti della crosta terrestre. Il lento movimento delle placche crea un accumulo di energia nelle linee di faglia, energia che ad un certo punto viene rilasciata generando i sismi. La compressione di alcune rocce, come ad esempio il quarzo, puo’ provocare fenomeni di piezoelettricita’, come avviene negli accendini per fare la scintilla. Inoltre, lo spostamento di rocce puo’ modificare o creare alcuni segnali elettromagnetici del terreno, provocando disturbi nelle telecomunicazioni o localmente al campo magnetico.

Questi fenomeni sono attualmente sotto studio da parte della comunita’ scientifica. Dal punto di vista tecnico, la difficolta’ principale di queste ricerche sta proprio nella non ripetibilita’ degli eventi. Inoltre, stiamo parlando di fenomeni non facilmente visualizzabili a meno di avere sotto mano una strumentazione per rivelarli.

Diverso e’ il caso delle cosidette “nubi sismiche”, cioe’ la formazione di particolari nuvole che indicherebbero l’insorgere di un forte terremoto. La teoria alla base di questi fenomeni e’ molto semplice: il vapore acqueo sotterraneo, sottoposto alle alte pressioni dovute alle placche in collisione, riesce ad arrivare in superificie in diversi punti. Fuoriuscito dal terreno, il vapore sale verso l’alto fino ad incontrare masse d’aria piu’ fredda che lo fanno condensare creando formazioni nuvolose. Secondo queste teorie, non solo la creazione di queste nubi indicherebbe il prossimo sisma, ma la struttura e la grandezza della nuvola darebbe indicazioni sull’epicentro e sull’intensita’ dell’imminente scossa.

Come visto, il meccanismo alla base e’ relativamente semplice ma, come sempre, cercando su web trovate indicazioni completamente diverse e fantasiose sulle nuvole che si formerebbero, si parla indistintamente di nuvole irridescenti, cirri trafilati, nubi bucate, ecc. Anche in questo caso siamo in presenza di ipotesi fantasiose.

Rivediamo il meccanismo di formazione che abbiamo presentato. Se la nuvola e’ creata dalla condensazione del vapore acqueo proveniente dal sottosuolo, ci saranno molecole d’acqua in sospensione nella struttura. Questo ci fa pensare ad eventuali fenomeni luminescenti come nel caso degli arcobaleni.

Un fenomeno del genere e’ stato ad esempio osservato in Cina prima del terremoto che ha colpito la regione di Sichuan. Alcuni testimoni hanno fotografato delle strane nuvole comparse qualche minuto prima del sisma:

La nuvola osservata a Sichuan in Cina prima del sisma

Da quanto detto, il meccanismo proposto e’ verosimile. L’effetto e’ la formazione di nubi con fenomeni di luminescenza. Come potete pero’ immaginare, questi fenomeni durano pochissimo tempo e non sono facilmente misurabili mediante strumenti. Inoltre, la loro osservazione dipende dalla posizione dell’osservatore e da quella dei raggi luminosi che devono essere scomposti per creare l’effetto arcobaleno.

In questo blog, abbiamo gia’ parlato di strane formazioni nuvolose apparse in diverse parti del mondo:

– Una nuvola che fa pensare alla fine del mondo

– Altra strana nube, questa volta in Giappone

– Altra strana nube a Tulsa

ma in nessuno di questi casi si sono avuti fenomeni sismici. Come abbiamo visto, formazioni di questo tipo sono descritte e conosciute in meteorologia e la loro creazione non presenta nessuna unicita’ particolare.

Qualcuno potrebbe pero’ osservare che queste formazioni sono diverse da quelle di Sichuan e facilmente distinguibili. Questo e’ vero, ma, come forse ricorderete, in un altro post abbiamo descritto una nuvola simile a quella cinese:

– Strano arcobaleno a Conca della Campania

In questo caso abbiamo visto come il fenomeno fosse riconducibile alle note “Nubi arcobaleno”, la cui formazione e’ studiata e capita in meteorologia. Nel caso campano, la nuvola e’ davvero simile a quella cinese, ma non e’ avvenuto nessun terremoto dopo la sua formazione. Questo significa che non esiste una correlazione esclusiva tra la formazione di nuvole arcobaleno e i terremoti.

Prima di concludere, vorrei ragionare anche su un ultimo punto. Per come avviene, la fuoriuscita di vapore ad alta pressione, non e’ sempre possibile. Come sappiamo l’epicentro dei terremoti puo’ essere supericiale ma anche a diversi kilometri di profondita’. In questi ultimi casi, non ‘e detto che il vapore possa arrivare fino in superificie. E se l’epicentro fosse in mare? In questo caso non avremmo assolutamente formazione di nuvole.

Queste considerazioni, ci mostrano la complessita’ di queste ricerche. Ovviamente sono in corso diversi programmi per lo studio dei precursori sismici. Ad oggi, non siamo ancora in grado di isolare e identificare un chiaro evento che possa allarmarci dell’imminente terremoto. E’ anche sbagliato considerare queste come “ricerche di frontiera”, come vengono descritte su alcuni siti. Il termine  di per se non e’ corretto. Tutte le ricerche scientifiche sono di frontiera, se si sapesse gia’ il risultato a cui si deve arrivare, non si tratterebbe di una ricerca scientifica.

Concludendo, ad oggi non conosciamo con certezza dei precursori sismici per la previsione di questi eventi. Tantissime ricerche sono in corso e forse un giorno potrebbero arrivare a dei risultati in gado di salvare tantissime vite umane. Tutte le strade sono aperte e vengono percorse senza nessun preconcetto e senza tener nascosto nessun risultato.

Distinguere tra verita’ e fantasia in discorsi di questo tipo non e’ mai semplice. Tante voci vengono mescolate con l’unico scopo di aumentare la confusione o creare psicosi colletive sulla fine del mondo. Per fare chiarezza su questi concetti, sempre attuali ed interessanti, non perdete in libreria Psicosi 2012. Le risposte della scienza.