Dalle tempeste solari ai fulmini: l’AI che prevede i fenomeni più estremi
Ad accomunare un’aurora boreale e un blackout elettrico globale è lo stesso fenomeno: una tempesta solare geomagnetica. Si tratta di un disturbo temporaneo del campo magnetico terrestre provocato dalle violente esplosioni del Sole (la cui energia sprigionata può essere paragonata a milioni di bombe atomiche simultanee) che rilasciano nello spazio interplanetario enormi quantità di particelle cariche. Quando una tempesta solare raggiunge la Terra, oltre a generare spettacolari giochi di luce nei cieli polari, può anche mettere in crisi le infrastrutture tecnologiche: satelliti danneggiati, sistemi GPS e comunicazioni aeree interrotte, fino al rischio di correnti indotte nelle reti elettriche in grado di provocare blackout diffusi.
Anticipare l’arrivo di questi eventi è una sfida cruciale per la sicurezza di tutte e tutti. È qui che entra in gioco il progetto di ricerca Alxtreme appena concluso, finanziato con un milione di euro da Fondazione Compagnia di San Paolo e Fondazione Cassa Depositi e Prestiti, che ha avuto durata biennale (2023–2025) e che ha visto l’Università di Genova, nella figura della Professoressa Anna Maria Massone come capofila, e il Politecnico di Torino protagonista per le ricerche condotte nell’ambito della meteorologia spaziale.
Il contributo del Dipartimento di Scienze Matematiche-DISMA, con la professoressa Emma Perracchione alla guida di un team di alumne e alumni dell’Ateneo composto da Gianluca Audone (ora research assistant a Southampton), Fabiana Camattari (ora dottoranda a Genova) e Katsiaryna Bahamazava (ora research assistant a Dublino), è stato determinante nello sviluppo di algoritmi di intelligenza artificiale capaci di prevedere le tempeste solari e di identificare le variabili fisiche che meglio caratterizzano gli eventi solari estremi.
L’esito delle ricerche è una piattaforma software innovativa che unisce modelli fisici e intelligenza artificiale: un sistema “ibrido” che osserva in tempo reale i dati provenienti da satelliti e strumenti a Terra e li rielabora per stimare con precisione quando e se un’espulsione di massa coronale (CME) – una gigantesca nube di plasma che il Sole scaglia nello spazio – arriverà fino al nostro pianeta e se potrà provocare una tempesta geomagnetica. Il funzionamento si basa su una combinazione di leggi fisiche e algoritmi di apprendimento automatico: invece di limitarsi a fare calcoli teorici o, al contrario, a “indovinare” basandosi solo sui dati, il sistema integra entrambe le prospettive, ottenendo previsioni molto più affidabili. In termini pratici, questo approccio ha permesso di ridurre sensibilmente gli errori, arrivando a fornire previsioni corrette in oltre il 95% dei casi con qualche ora di anticipo.
Un risultato particolarmente significativo si è avuto durante la supertempesta solare del maggio 2024, la più intensa degli ultimi decenni. In quell’occasione, i modelli sviluppati nell’ambito del progetto hanno previsto l’arrivo della nube solare con un margine di errore di soli 60 secondi: un livello di accuratezza senza precedenti.
Questi strumenti sono destinati a essere integrati a Torino nella piattaforma del Centro eliofisico per lo space weather di Altec, che unisce le competenze di Altec e dell’Osservatorio Astrofisico di Torino e rappresenta il centro italiano di eccellenza nella fornitura di servizi ingegneristici e logistici per lo spazio.
Figura di riferimento nel progetto, la professoressa Emma Perracchione è specializzata in approssimazione numerica e progettazione di algoritmi di machine learning con applicazioni che spaziano dalla fisica solare all’elaborazione dei dati satellitari. Attualmente è responsabile del sottoprogetto AIxtreme-I ed è Principal Investigator del progetto GOSSIP- Greedy Optimal Sampling for Solar Inverse Problems, che sviluppa strategie di campionamento innovative per osservazioni solari da telescopi a raggi X come STIX a bordo della missione ESA/NASA Solar Orbiter. Il progetto ha inoltre permesso di ampliare il team del DISMA con l’ingresso di nuove figure di ricerca e giovani studiosi con competenze interdisciplinari, tra cui gli assegnisti e dottorandi Ludovico Bruni Bruno, Valeria Marras e Matteo Trombini.
Parallelamente, Alxtreme, con la guida del Professor Andrea Mazzino del Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica e Ambientale dell’Università di Genova, ha portato alla nascita di Flashnet, l’algoritmo sviluppato per la previsione dei fulmini. In Italia si registrano in media oltre un milione e mezzo di fulmini ogni anno, di cui circa 200mila solo in Liguria. I primi test operativi condotti da Arpal hanno già evidenziato risultati incoraggianti e il prossimo obiettivo sarà estendere l’uso dell’algoritmo alla previsione della grandine, tra gli eventi atmosferici più difficili da stimare e più dannosi per l’agricoltura.
Entrambi gli algoritmi, quello per i fulmini e quello per le tempeste solari, sono ora pronti a entrare in una fase di test applicativi presso enti e aziende, con l’obiettivo di arrivare in futuro a un impiego stabile nella prevenzione dei rischi. I risultati del progetto hanno già ottenuto riconoscimento internazionale, con la pubblicazione su riviste scientifiche quali Nature Communications, Astronomy and Astrophysics, e The Astrophysical Journal, confermando la rilevanza scientifica e applicativa della ricerca.
“AIxtreme mi ha dato l’occasione di rileggere in chiave moderna molti strumenti matematici troppo spesso considerati “fuori moda” e di intrecciarli con le visioni di fisici solari" spiega la professoressa Emma Perracchione. E continua: "Ne è nata un’esperienza di innovazione che ha arricchito il Politecnico sia sul fronte dell’AI che della fisica solare. Ricordandoci quanto il successo della ricerca nasca sempre dal contributo corale di tante persone, un grazie speciale va agli amministrativi del DISMA (in particolare Antonella, Erika e Michele).”