“In a nutshell” about Aurora – 1.Riconnessione Magnetica

Il potenziale energetico liberato

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Ma che cos’è?
Probabilmente ne avrai sentito parlare ma difficilmente noi comuni mortali comprendiamo di cosa si tratta, sembra materia troppo tecnica ed inarrivabile.

In questo percorso di post multipli verso la comprensione dell’Aurora, non posso proseguire subito a parlare di Brillamenti ed Emissioni di Massa Coronale, i fenomeni esplosivi ed eruttivi della nostra stella, senza prima accennare al fenomeno della “Riconnessione Magnetica”, che ha un ruolo fondamentale per spiegare questi e moltissimi altri eventi dappertutto nel Cosmo.

In realtà, una volta compreso il concetto alla base, non è poi così complicato, o meglio descriverlo tecnicamente è complicato, ma capirne l’essenza è alla portata di tutti. Visto che il mio blog ha vocazione didattico-divulgativa, è mio compito procedere.

L’Inaf, Istituto Nazionale di Astrofisica, per il tramite del direttore responsabile Marco Malaspina e di alcuni professionisti:
– Alessandro Bemporad, ricercatore fisico solare
– Elisa Nichelli, astrofisica
– Eleonora Ferroni, giornalista scientifica
– Luca Comisso, ricercatore presso il PPPL, il Dipartimento di energia del Laboratorio sulla fisica del plasma dell’Università di Princeton
– Antonio Marro
ci aiuta a fare chiarezza senza dilungarci in questioni troppo tecniche.

Premessa “campo magnetico solare”:
la nostra stella è un’enorme sfera di gas con un debole campo magnetico dipolare prodotto dalla dinamo interna.

Premessa “sfera rotante”:
ho però anche spiegato in altro post che il Sole è una sfera di plasma rotante, quindi le linee nell’immagine sono linee di campo magnetico che seguono la rotazione differenziale della sfera, più veloci all’equatore rispetto ai poli….

… così succede che la rotazione trasforma il debole campo magnetico dipolare in intensi campi magnetici localizzati nelle macchie solari.

Premessa “ciclo solare”:
ho anche evidenziato che il numero di tali affascinanti e studiatissime macchie caratterizza il ciclo di attività solare undecennale

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… durante tale ciclo la nostra stella per tornare al campo magnetico di partenza con i poli al loro posto, impiega ben 22 anni

… equivalenti a 4 cicli di minimo-massimo, ciascuno di circa 5-6 anni con a volte interruzioni comprese (cicli progressivi, il minimo con sempre meno macchie fino a nessuna macchia, il massimo con intensa attività proliferante di superficie).

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Premessa “minimo solare”:
ho inoltre ben chiarito che, anche quando ci si trova nel periodo di minimo solare, con poche o addirittura totalmente senza macchie

transito della ISS sul disco solare povero di macchie, in una fantastica foto dell’astrofotografo Thierry Legault clicca per ingrandire, click to enlarge

il nostro astro non smette comunque mai (assolutamente mai!) di fondere Idrogeno in Elio nel suo nucleo e di soffiare costantemente vento solare di sottofondo in ogni direzione, riempiendo tutta l’eliosfera di tale “patina”.

Premessa “invisibilità tracciata”:
ho descritto come i campi magnetici siano invisibili; tuttavia, anche se le linee del campo magnetico sono invisibili, esse convogliano particelle cariche (plasma) a scorrere per tutta la loro lunghezza.

ottima istruttiva slide di Franco Alladio sui “filamenti magnetici” o “tubi di flusso”, strutture che contengono all’interno campo magnetico (in rosso, fig. centrale) e corrente elettrica (in blu, fig. centrale)

Il plasma diventa quindi un fantastico tracciante del campo magnetico ed è visibile anche ai telescopi orbitanti in forma di quegli bellissimi anelli coronali che puoi ammirare qui sotto.

… ma anche nelle “corde di flusso magnetico attorcigliate” (twisted magnetic flux rope), come spiega il direttore di Inaf, Malaspina. “L’accumulo di energia in corona dentro tali strutture è un processo lento (fino a 4 giorni contro i pochi minuti od ore dei fenomeni esplosivi)…”

strutture composte da linee di campo magnetico che hanno “una forma simile a un insieme di spaghetti disposti dentro a un tubo e attorcigliati tra loro…” . Eruzione della corda magnetica nel modello dinamico METEOSOL dopo la sua separazione dallo stato di equilibrio. Crediti: Tahar Amari / CNRS

Dunque punto 1 – ragioniamo ora sul fatto che, come ricorda il fisico solare Alessandro Bemporad, “l’universo che possiamo osservare con il telescopio è costituito quasi esclusivamente da gas (nello stato di plasmi) immersi in campi elettrici e magnetici…”

Questo primo punto è importantissimo, perché ci dice che troviamo praticamente dappertutto:
plasmi che sono gas competamente ionizzati (cioé dissociati in elettroni e nuclei del tutto slegati) e quindi conduttori perché plasmabili con campi magnetici
campi magnetici ed elettrici (invisibili) in cui tali plasmi sono immersi

Quindi TUTTO il Sistema Solare ed il Cosmo sono permeati di plasmi immersi in campi magnetici ed elettrici. Il Vuoto non è vero vuoto, bensì brulica di protoni ed elettroni, in certe zone molto rarefatti, in altre molto numerosi, che interagiscono con la materia che incontrano nel loro cammino (asteroidi, comete, pianeti, altri plasmi…).

Punto 2 – ancora Bemporad ci fa notare che “tutti i fenomeni che osserviamo nell’Universo coinvolgono la conservazione di energia, che può essere però trasformata in forme diverse”.

l’energia non può essere né creata né distrutta con mezzi ordinari, può essere trasformata solo da una forma all’altra: solare, termica, meccanica, elettrica

Premesse, punto primo e punto secondo ci portano finalmente al fenomeno oggetto di questo post.

La Riconnessione Magnetica è il processo fondamentale di fisica del plasma tramite il quale l’energia immagazzinata nei campi magnetici può essere convertita in altre forme di energia:

> energia termica (riscaldamento dei gas)

> energia cinetica (accelerazione dei gas e delle particelle)

Il processo è molto importante in astrofisica perché permette di liberare enormi quantitativi di energia magnetica in tempi brevissimi!

Allora vediamo finalmente cos’è!

Eleonora Ferroni spiega in modo chiaro la dinamica:
“la riconnessione magnetica è ciò che avviene quando 2 linee di campo magnetico (incorporate nel plasma) si rompono e si collegano tra loro.”
Comprensibile, non trovi?

Riconnessione magnetica. Crediti: NASA/Goddard/Conceptual Image Lab

È stato l’esperto di fisica solare dell’Università di Graz in Austria, Yang Su, studiando un brillamento avvenuto il 17 agosto 2011, a “notare due gruppi di linee magnetiche muoversi l’una verso l’altra per formare una sorta di “x” per poi separarsi in una nuova serie di linee prendendo direzioni opposte.”

Il ricercatore Luca Comisso, intervistato dalla giornalista Ferroni, spiega per le linee di forza un cambio di “connettività”: «immaginiamo che queste linee di forza si rompano e si riconnettano con altre linee di forza del campo magnetico in alcuni punti particolari del plasma, dove appunto avviene la riconnessione magnetica”

Nel blog “Spazio Tempo Luce Energia” del bravissimo Michele Diodati trovo anche una descrizione eccezionalmente efficace per visualizzare meglio e, oserei dire, “sentire” l’effetto di questo fenomeno.
“C’è un gioco continuo tra le linee di campo magnetico e il plasma solare che le riempie, alimentato dal flusso di elettroni e protoni liberi che emergono dalle profondità del Sole.

tubi di flusso in cui scorrono plasma e campi magnetico-elettrici, che si gonfiano fuoriuscendo dalla fotosfera fino ad emergere in cromosfera e Corona solare, I punti di emersione corrispondono alle famose “macchie solari”

Le tensioni che si creano in particolare sopra le regioni attive portano prima o poi le linee di campo magnetico a spezzarsi per poi, subito dopo, riconnettersi.(M. Diodati)

Credit: NASA/SDO/RHESSI/Goddard

Nel momento in cui le linee di campo si spezzano, avviene un istantaneo rilascio di energia, come una frusta che schiocca all’improvviso con grandissima violenza.” (M. Diodati)

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Questa subitanea liberazione di energia può produrre brillamenti ed espulsioni di massa coronale.(M. Diodati)

il satellite Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI) e la sonda Solar Dynamics Observatory (SDO) della NASA hanno osservato nel dettaglio il brillamento del 17/08/2011; sovrapposizione dei dati provenienti dai due veicoli (Credit: NASA/SDO/RHESSI/Goddard)”, articolo di Eleonora Ferroni

Quindi tali linee magnetiche in pratica si disconnettono e riconnettono in alcuni punti particolari, e in tali punti si libera un’energia colossale che può provococare di conseguenza fenomeni esplosivi come brillamenti o espulsioni di massa coronale oppure entrambi associati, che vedremo nel prossimo post di questa serie.

La caratteristica di questo fenomeno, ancora in fase di studio, è che parte da iniziali scale microscopiche per coinvolgere, poco dopo l’inizio della riconnessione, volumi di plasma “macroscopici” causando i famosi fenomeni solari esplosivi.

Antonio Marro di Inaf spiega un importante teorema dei flussi magnetici, il “teorema di Alfvén“, che afferma che le linee di forza magnetiche sono trasportate lungo un fluido in movimento, come dei fili gettati in un fiume, e quindi non si potranno mai “rompere” e ricollegare.

La turbolenza (e la grande pressione degli elettroni) è la chiave di successo della Riconnessione Magnetica. “Il teorema di Alfvén” non è infatti più valido quando il plasma diventa molto turbolento.
Gli scienziati hanno scoperto che “all’interno di violente eruzioni solari… le loro linee di campo magnetico qualche volta si rompono come elastici troppo allungati e si ricollegano in appena 15 minuti, rilasciando grandi quantità di energia che alimentano il flare…”.

Taupo Lake, New Zealand, foto di Gabi and Huy photography

Ecco il video della Nasa che spiega brevemente quanto detto finora.

video NASA del 2013 di solo 1:41, che riassume bene la “riconnessione magnetica”

Per concludere, dove si verifica questo fenomeno?

Si verifica nei plasmi di laboratorio sulla Terra, ma anche nello spazio, OVUNQUE e CONTINUAMENTE!
Essa è uno dei processi naturali più interessanti nell’Universo, è la forza trainante:

  • alla base degli eventi solari più energetici: brillamenti ed espulsioni di massa coronale e riscaldamento coronale (nel Sole e in altre stelle)
  • nelle magnetosfere di tutti i pianeti e i satelliti dotati di un campo magnetico proprio: Giove, Saturno, Urano, Nettuno ed altri
magnefosfera di Giove, interazione col vento solare
  • anche negli eventi di “disconnessione” di alcune comete, la cui coda viene “strappata via” dal vento solare
cometa 46P/Wirtanen, foto NASA
  • nella eliopausa, ai limiti della eliosfera, circa 100-110 UA, nell’interazione tra il campo magnetico interplanetario espulso dal Sole e i campi magnetici interstellari esterni al Sistema Solare
  • nei lampi di raggi gamma
  • attorno ai dischi di accrescimento dei buchi neri, la riconnessione magnetica causa intensi rilasci di energia

Termino con un’immagine di Emily Mason del Goddard Space Flight Center della NASA di Greenbelt, nel Maryland ed un’altra di James Drake, professore di fisica presso l’Università del Maryland:

“all’improvviso, il plasma surriscaldato sul circuito chiuso si trova su una linea di campo aperto, come un treno che ha cambiato rotta; a quanto pare, il gas ionizzato inizia il suo viaggio su un circuito chiuso, passando ad uno aperto attraverso il processo di riconnessione magnetica, che si verifica frequentemente sul Sole quando un anello chiuso si scontra con una linea di campo aperta e il sistema si ricollega”

“Un po’ come due treni che viaggiano l’uno verso l’altro ma su binari diversi, ed improvvisamente uno scambio collega i binari portando all’inevitabile scontro che rilascia una grande quantità di energia verso l’esterno”.

Spero vi abbia affascinato il viaggio, non perdete le prossime puntate di questa serie “In a nutshell”. Per comodità ecco i link agli altri post:
“In a nutshell” about Aurora – 0.Il Sole
“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 – 3a.Campo magnetico terrestre

“In a nutshell” about Aurora – 3b.Fasce di Van Allen
“In a nutshell” about Aurora – 3c.Cometa, toroidi e particelle

Link utili e collaborazioni:
Istituto Nazionale AstroFisica – INAF
Inaf su Facebook
Corde di flusso magnetico attorcigliate, direttore di Inaf Marco Malaspina
– “Riconnessione magnetica” di Alessandro Bemporad
– Astrofisica Elisa Nichelli
– “Riconnessione magnetica rapida” della giornalista scientifica Eleonora Ferroni
– Ricerca del fisico solare Yang Su sui brillamenti
– l’ingegnere spaziale e ricercatore Luca Comisso intervistato da Eleonora Ferroni
– “Spazio Tempo Luce Energia“, blog di Michele Diodati
– “Turbolenze solari” di
Antonio Marro
– slide sul principio di conservazione dell’energia

SDO “cattura” la riconnessione magnetica

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