“In a nutshell” about Aurora –3a. Campo magnetico terrestre

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La Magnetosfera

Siccome le dimensioni degli smart fanno perdere il fascino di questa rappresentazione, la ripropongo subito per poterla ammirareclicca per ingrandire, click to enlarge

Prosegue il viaggio per brevi episodi, che parte da lontano, dalla nostra stella, per far capire da dove ha origine quel meraviglioso mozzafiato fenomeno che è l’Aurora, che tutti conosciamo ma non tutti comprendiamo.

credit Maciej Winiarczykclicca per ingrandire, click to enlarge

Finora ho raccontato:

  • dei fenomeni che avvengono sul Sole (il cosiddetto “meteo” spaziale)
  • delle tempeste solari dovute alle esplosioni più violente come
  • i Flares e le Cme (immaginati come due pugili in una titanica lotta a due rounds sul ring) – spesso ma non sempre dovuti alla “riconnessione magnetica


Ho pensato questo post in modo diverso, domande e risposte, in modo da facilitare e alleggerire la lettura e magari stimolare la curiosità.

Qui analizzo sinteticamente l’eccezionale scudo radioattivo invisibile ed impalpabile che la Terra oppone come prima arma di difesa contro questi fenomeni così potenti e letali della nostra stella.

spiritosissima e geniale interpretazione di vento solare (spaghetti), Campo magnetico terrestre ed Atmosfera (personaggi del fumetto Dragon Ball)

Bada bene che l’origine di questo scudo si trova però nelle profondità del nostro pianeta, precluso a noi se non tramite strumentazione scientifica sofisticata.

A che serve la Magnetosfera o Campo Magnetico terrestre?

La Terra si difende dal bombardamento solare radioattivo costante (vento solare + cme), emettendo un intenso campo magnetico globale planetario, come una vasta bolla tutt’intorno a sé.

distanze e dimensioni NON in scala: il Sole sarebbe incredibilmente più lontano e la Terra molto più piccola

A grandi linee, che caratteristiche ha questa bolla?

La Magnetosfera terrestre, nonostante venga rappresentata come sopra, è:

  • invisibile – tranne quando da spettacolo, manifestando la sua attività tramite le Aurore
  • impalpabile – non è infatti un “muro” fisico, essendo composta da campi magnetici ed elettrici in movimento e popolata di particelle ad alta energia
  • radioattiva – non dappertutto, essendo le particelle concentrate nelle “Fasce di Van Allen
  • attraversabile – con le opportune precauzioni, vale a dire adeguate schermature su satelliti, sonde, astronavi e tute, orbite opportunamente calcolate per evitarle o lambirle, opportune velocità di attraversamento per minimizzarne gli effetti

Da dove ha origine il campo magnetico terrestre? Il “Dipolo”

Il nucleo interno solido al centro del nostro pianeta, nucleo che ha le dimensioni più o meno come quelle della Luna, è circondato dal nucleo esterno liquido che è il motore che attiva il campo magnetico.

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In questa sezione di torta puoi vedere da altra prospettiva gli strati interni della Terra.

In che senso il nucleo esterno è il motore?

Questa è una classica, seppur straordinaria, immagine degli strati del nostro pianeta (trascurando quelli più sottili della litosfera). Il Nucleo esterno è quello subito attorno al nucleo.

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Questa rappresentazione invece da un’idea più dinamica dei colossali movimenti interni che avvengono a migliaia di km sotto i nostri piedi: movimenti convettivi interni ed altri complessi fattori, uniti alla rotazione terrestre, danno origine al movimento di ingenti masse di elettroni, quindi cariche elettriche libere del nucleo esterno liquido.

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Si vengono così a creare correnti elettriche gigantesche e un campo magnetico di dimensioni planetarie, perché ogni corrente elettrica produce un campo magnetico. Le linee tratteggiate che vedi sono invisibili linee di campo magnetico.

Solo il nucleo esterno crea un campo magnetico?

A dir la verità no; il campo magnetico generato dal nucleo esterno non è l’unico campo magnetico presente, ci sono piccoli contributi e variazioni di intensità dati da (Tesi di Elio Trovato):

  • la cosiddetta parte “crostale”, quello generato dalle rocce presenti sulla crosta terrestre
  • le correnti elettriche ionosferiche (generate nell’interazione con il Sole)
  • le correnti elettriche magnetosferiche (generate nell’interazione con il campo magnetico interplanetario)

Che forma prende questo campo magnetico planetario?

Il campo magnetico normalmente ha l’andamento simmetrico che vedi in questa immagine: è composto di linee (quelle curve tratteggiate) che partono da un estremo, il polo sud, e si dirigono verso l’altro estremo, il polo nord, descrivendo così l’andamento di un “dipolo magnetico”.

Hai notato che la barra della calamita nell’immagine riporta Nord (N) e Sud (S) invertiti rispetto ai poli che conosciamo? È un errore?

No, non è un errore. La contraddizione è presto spiegata.
Il polo positivo, geograficamente al sud, in realtà corrisponde al nord magnetico. Il polo negativo, geograficamente al nord, in realtà corrisponde al sud magnetico.
Le correnti elettriche seguono la direzione da Positivo a Negativo.

Quindi per convenzione Polo Nord e Polo Sud geografico sono invertiti rispetto a quelli magnetici. L’asse del dipolo magnetico, poi, ha un angolo di 11,5° di differenza rispetto all’asse di rotazione terrestre.

Quindi all’interno della Terra c’è un’enorme calamita?

No, non è così! È vero, “dipolo” magnetico significa semplicemente “2 poli”, in parole povere una semplice ma gigantesca calamita con ellissi sempre più ampie mano a mano che si allontanano dal pianeta.

In realtà però, come spiega bene Stefania Lepidi, “non è un magnete a creare il campo magnetico poiché all’interno del nostro pianeta, già a poche decine di km di profondità, la temperatura delle rocce raggiunge il cosiddetto punto “punto di Curie”, la temperatura alla quale un magnete perde le sue proprietà e si smagnetizza”.

Il punto di Curie dipende dai materiali, ad esempio per il Ferro siamo a circa 800° C (1.472° F) , e tu hai visto nell’immagine più sopra, che già a 100 km di profondità la temperatura è di 1.280° C in aumento (2.336° F)!

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Se non è una calamita a crearlo, cos’è allora?

Dinamo ad autoeccitazione
È piuttosto complesso, ci ricorda Stefania Lepidi: “Sotto l’azione della rotazione terrestre e dei moti convettivi ascensionali generati dal calore proveniente dal nucleo interno, il nucleo esterno ha dei lenti movimenti a spirale; essi equivalgono a una corrente elettrica che produce un campo magnetico (elettrocalamita), che a sua volta induce una nuova corrente nel nucleo, che provoca un nuovo campo magnetico e così via.”

Ricordi quelle linee o curve? Perché sono fondamentali, come funzionano?

Di solito le linee di campo magnetico sono invisibili, ma il nostro Sole ci offre la straordinaria occasione di poterle vedere in quanto il plasma che scorre lungo di esse si comporta come un “tracciante”, evidenziandole.

la Terra posta digitalmente per confronto

All’interno di tali linee, dette anche tubi di campo magnetico” o “tubi di flusso”, scorrono linee avvitate ad elica di campo magnetico e corrente elettrica.

Protoni ed elettroni, i grandi protagonisti

Tieni bene a mente queste linee/curve (nel nostro caso invisibili): considerale infatti come le corsie di una autostrada ed i veicoli sono sempre principalmente particelle dotate di carica elettrica, protoni (+) ed elettroni (-) …

…tali particelle non possono transitare a caso dove vogliono, ma devono seguire corsie apposite per entrare, circolare ed uscire dalle cuspidi polari che ci consentono poi di ammirare il fenomeno dell’Aurora.

Le particelle del vento solare, quindi, quando si scontrano con la magnetosfera terrestre devono seguire queste corsie (linee di campo magnetico).

Quando arriva il vento solare (misto ad eventuali eruzioni Cme e/o componenti di flares), qual è il primo scudo che usa la nostra Terra?

Certo, proprio lui, il nostro caro invisibile impalpabile campo magnetico. In questa immagine vedi un andamento regolare e simmetrico delle linee, ma questa non è la realtà.

In realtà ad una quota di circa 20.000 km la situazione cambia completamente diventando asimmetrica. Cosa succede?

È colpa dell’impatto con il costante ed incessante vento solare unito alle componenti di Cme (“eruzioni di massa coronale”, che sarebbe meglio chiamare “eruzioni magnetiche coronali), che ti ricordo “soffia” costantemente con forza in tutte le direzioni.

Quando esso interagisce con il campo magnetico terrestre (magnetosfera) lo distorce creando una specie di ‘bolla’ magnetica, di forma simile ad una cometa, e così accade che…

distanze e dimensioni NON in scala: il Sole sarebbe incredibilmente più lontano e la Terra molto più piccola

…dal lato illuminato dal Sole la magnetosfera viene “schiacciata” e compressa, e le linee di campo magnetico scontrandosi con quelle del vento solare danno luogo al fenomeno di Riconnessione magnetica

schema con dimensioni e distanze NON in scala

In effetti sarebbe più corretto visualizzare le linee di campo magnetico del vento solare in quest’altro modo, come spiegherò , mentre nell’immagine sopra è rappresentata la direzione delle particelle di vento solare…

schema con dimensioni e distanze NON in scala

…dall’altro lato la magnetosfera viene invece “stirata” (fenomeno “Convezione magnetica“) fino a formare quella che viene definita “coda magnetica o magnetotail” (altra sede del fenomeno della “Riconnessone magnetica”).

In sostanza il campo magnetico si ricongiunge a forma di goccia; vale a dire che le linee di campo magnetico, molte delle quali sul lato illuminato sono state spezzate e divise a causa della riconnessione, spinte dal vento solare procedono fino a ricongiungersi dalla parte opposta.

A questo punto torna prezioso ed utile il video che circola da qualche anno sul web e che mostra l’animazione proprio di questa dinamica e del fenomeno di Riconnessione magnetica, credo che apprezzerai.

Video breve di 3 minuti su vento solare, magnetosfera, linee di campo magnetico e il fenomeno della Riconnessione Magnetica che da infine luogo alle Aurore – Credits R. Gaeta

Riporto qui per completezza anche il Video originale NASA (5 minuti circa) …

… e quello tradotto dalla prof.ssa Macario, di 5 minuti circa, che parlano proprio del tema di questa serie di post “In a Nutshell”. Se hai perso gli altri post di questa serie corri a guardarli così poi sarai molto più preparato nel seguire i video (link a fine post).

Per concludere, qui si parla di vento solare quindi “particelle”. Che succede invece alla “radiazione elettromagnetica”, ovvero i fotoni Radio, Infrarossi, Visibile, Ultravioletti, X e Gamma?

Beh, semplice, i fotoni non avendo carica elettrica (sono neutri) non subiscono l’influenza del campo magnetico e quindi non vengono deflessi (deviati) verso i poli.

Tuttavia le radiazioni ionizzanti, quelle per noi pericolose e letali, quali raggi cosmici solari, X, Gamma e le componenti più pericolose degli UV vengono assorbite in atmosfera dalla Ionosfera ed Ozonosfera e non raggiungono la superficie.

Più una particella è energetica (veloce) e meno viene deflessa (deviata) da un campo magnetico. La radiazione elettromagnetica (fotoni) passa dritta non avendo carica elettrica, mentre le particelle con carica elettrica (elettroni- e protoni+) vengono deflesse in base all’energia che hanno.

Riccardo Paramatti, Università Sapienza e INFN Roma, Masterclass 2018

A prestissimo con la seconda parte di questo post, sulle Fasce di Van Allen.

Gli altri link di questa serie:
“In a nutshell” about Aurora – 0. Il Sole
“In a nutshell” about Aurora – 1. Riconnessione Magnetica
“In a nutshell” about Aurora – 2a. Flares vs CME: scontro di Titani
“In a nutshell” about Aurora – 2b. Flares vs CME: scontro di Titani

“In a nutshell” about Aurora – 3b. Fasce di Van Allen
“In a nutshell” about Aurora – 3c. Cometa, toroidi e particelle
“In a nutshell” about Aurora – 3d. radiazioni
“In a nutshell” about Aurora–3e. radiazioni a confronto
“In a nutshell” about Aurora – 3f. radiazioni e ISS
“In a nutshell” about Aurora -4. Cuspidi polari

“In a nutshell” about Aurora -5. Generatore aurorale
“In a nutshell” about Aurora -6. Altitudine e forme

Link utili:
foto di copertina, Greg Shirah e Tom Bridgman, NASA / Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio
– Tesi di laurea Elio Trovato, “Campo geomagnetico terrestre”
– “Il motore magnetico della Terra”, di Stefania Lepidi, INGVIstituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia
“La Dinamo Solare, la Geodinamo e le Dinamo Planetarie”, di Franco Alladio
– video prof. Macario
– video R. Gaeta
– video originale Nasa
– fotografo di Aurore, Maciej Winiarczyk da facebook

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