“In a nutshell” about Aurora –3b. Fasce di Van Allen

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L’interazione Vento Solare-Magnetosfera: la grande Danza

Questa è la seconda parte del 4° episodio nel mio viaggio verso l’Aurora. Sono partito da lontano, dal Sole, per far capire da dove ha origine quel meraviglioso fenomeno mozzafiato che tutti conosciamo ma non tutti comprendiamo.
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 (immaginàti come due pugili in una titanica lotta a due rounds sul ring)
  • spesso ma non sempre dovuti alla “riconnessione magnetica
  • del primo scudo invisibile ed impalpabile che la Terra offre come riparo alla prepotenza solare, la Magnetosfera

Questo post in 4 episodi è pensato in modo diverso, domande e risposte, in modo da facilitare la lettura e stimolare la curiosità.
Nel precedente episodio ho accennato al Vento solare, composto di particelle cariche, protoni+ ed elettroni-, che si scontrano contro la Magnetosfera terrestre. Qui analizzo sinteticamente come questa interazione produca una complessa danza di particelle le quali vanno a formare le famose Fasce di Van Allen e sono pure responsabili delle Aurore.

Attenzione, fondamentale, ricorda!


Ogni volta che senti parlare e vedi rappresentazioni di
– “Campo Magnetico”
– “Linee di campo magnetico”
– “Magnetosfera”
– “Fasce di Van Allen”

sappi che tutto questo è assolutamente:

Invisibile

Impalpabile

Attraversabile, non essendo una barriera fisica!!

Per le Fasce si parla infatti di particelle energetiche microscopiche invisibili e impalpabili, rilevabili solo tramite strumentazioni specifiche a bordo di satelliti.

Non ti devi quindi immaginare in alta atmosfera, un muro di mattoni o di qualche altra sostanza solida o liquida, densa come una pellicola, un gel o una schiuma.

questa rappresentazione è totalmente fuorviante e sbagliata

Infatti quando guardi in su verso il cielo non vedi niente del genere a parte le nuvole, niente ti impedisce, salvo le nuvole, di penetrare strati e strati di atmosfera per ammirare il cielo blu o la volta celeste.

crediti astrofotografo Tommaso Rubechi clicca per ingrandire, click to enlarge

Si parte, ricordi dove siamo ora?

Dal post sull’atmosfera ti sarà più chiaro che ci troviamo in Esosfera, l’ultimo strato di atmosfera, estremamente rarefatto, che sfuma nello spazio, oltre i 500 km di quota per un’estensione di circa 30.000 km (!).

L’Esosfera arriva a comprendere parte delle “Fasce di Van Allen”, che costituiscono la Magnetosfera o campo magnetico terrestre.

Come interagiscono queste particelle con l’alta atmosfera (Esosfera, Ionosfera)?

Le particelle del vento solare dovrebbero ‘scivolare’ lungo il bordo esterno della magnetosfera (magnetopausa) e passare “oltre” la Terra (secondo il fenomeno chiamato “convezione magnetica”).

rappresentazione in cui né le dimensioni né le distanze sono in scala; il Sole sarebbe infinitamente più lontano e molto più grande

Invece, in realtà, accade qualcosa di molto più complesso.

la serie di fantascienza Star Trek

Intanto, le linee di campo magnetico si possono vedere?

Ricordo che la magnetosfera, o campo magnetico (in questo caso “terrestre”), è costituito da linee “invisibili” di campo magnetico… da “fuori” non si vede niente!

meravigliosa storica immagine della splendida Terra vista dall’orbita lunare

…e che sul Sole possiamo vedere tali linee solo grazie al plasma che fa da tracciante.

in questa foto la Terra è stata posta digitalmente per confronto, le dimensioni sono verosimilmente in scala

Quindi riguardo alla Terra conosciamo l’andamento di queste linee invisibili grazie alle ricerche e alle misurazioni tramite strumenti e satelliti.

rappresentazione artistica NASA Goddard delle linee del campo magnetico terrestre clicca per ingrandire, click to enlarge

Protoni + ed elettroni – : a noi!
Che succede a questo autentico “oceano” di particelle che si scontra con la magnetosfera?

Il “vento solare” è composto di plasma, cioè protoni + ed elettroni – slegati (4° stato della materia) che si muovono a velocità considerevoli.

I protoni hanno carica elettrica positiva, gli elettroni negativa, per questo il + e il – a fianco

Un colossale, costante ed incessante flusso costituito da una componente costante “lenta” e poi altre componenti saltuarie di Cme (eruzioni di massa coronale) ed influenze di flares (vento solare “veloce“), a loro volta trascinate da intensi ulteriori campi magnetici.

fiume costante di particelle di vento solare, in cui si scorgono anche ondate di plasma veloce dovute ad Cme-eruzioni di massa coronale, ed influenze di flares – credits Nasa

In altre parole, come si comportano le particelle del vento solare una volta catturate da una linea di campo magnetico?



Per rispondere alla domanda serve accennare a due termini difficili. Come sempre, i “paroloni”, nel momento in cui comprendi ed assorbi il significato, perdono il loro effetto shock e diventano più familiari e “digeribili”, con l’effetto collaterale di provare gratitudine per aver semplificato un concetto incomprensibile. Quindi segui questo riassunto con fiducia, ho già fatto io il lavoro di comprensione per te.

Ciclotrone
e Bremsstrahlung? AIUTO !!!

Ciclotrone” (acceleratore circolare) e “Bremsstrahlung” ( brEms’tralun{g} ), cioè “Radiazione da frenamento“, per spiegare che il movimento a spirale inizia per effetto ciclotrone.

Particelle neutre e particelle cariche (+, -): distinguiamo?

Le particelle neutre (fotoni, neutroni cosmici…) non sono influenzate dal campo magnetico e tirano dritto (riga vicino al magnete di destra).
Le particelle cariche (protoni +, elettroni -) sono deviate dal campo magnetico in base all’energia (velocità) che hanno: meno energia hanno (più lente sono) e più sono influenzate, più energia hanno (più veloci sono) e meno subiscono deviazione.

Riccardo Paramatti, “Rivelatori di Particelle”, Università Sapienza e INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Masterclass 2018: magnete di destra con particelle neutre, di sinistra con cariche

Come si comporta una particella carica in un campo magnetico?

Principio semplice: un campo magnetico deflette (devìa) le particelle cariche, curvandole, mentre un campo elettrico le accelera. Proprio quello che succede negli acceleratori di particelle.

i magneti azzurri creano un campo magnetico che deflette, devia, curva la traiettoria della particella carica, mentre i campi elettrici arancioni la accelerano

E se il campo magnetico è costituito da una linea? “Effetto Ciclotrone”

Le particelle cariche (protoni + ed elettroni -), incontrando una linea di campo magnetico, iniziano a spiraleggiarvi intorno (aumentando di velocità) per “effetto ciclotrone”, cioè la linea di campo magnetico diventa un acceleratore circolare.

Il movimento a spirale avviene a causa di 2 movimenti contemporanei di protoni + ed elettroni – lungo tali linee:

  • un movimento è la loro rotazione attorno alla linea (sinistra nell’immagine)
  • altro movimento è il loro spostamento lungo di essa (destra nell’immagine)

Che succede ad un elettrone – accelerato che passa vicino ad un protone +? “Bremsstrahlung”

Quando un elettrone – durante l’accelerazione e quindi acquistando energia cinetica, passa vicino ad un protone + di un nucleo atomico, viene deviato nel suo percorso dal campo magnetico di quest’ultimo e quindi rallenta (“frenamento, particella frenata”).

La particella energetica “frenata” lascia un ricordo in risposta al frenamento, cosa? “Fotone di Bremsstrahlung”

Così rallentando, l’elettrone perde energia cinetica e, per il principio di conservazione dell’energia, emette una radiazione elettromagnetica, in parole povere un fotone, detto “fotone di Bremsstrahlung” (generalmente in banda X).
Tutte le cariche elettriche, se accelerate emettono fotoni di Bremsstrahlung.

“Radiazione da frenamento”, physicsopenlab.org


Più è energetico l’elettrone bombardante (la particella “frenata”), più è intensa la radiazione.
Visto?! Alla fine, detto in modo così semplificato, non è poi la fine del mondo.

Questo “oceano” di particelle, COME forma le Fasce di Van Allen? Sei pronto a schizzare via?

Si inizia a danzare ora, tieniti forte ed immagina questo vero e proprio “oceano” che investe la magnetosfera terrestre in modo così insistente, ciclopico e pressante, come durante un uragano, e tutti questi movimenti colossali insieme contemporaneamente.

fotomontaggio gentilmente eseguito da Tiziana “Tirtha” Giammetta clicca per ingrandire, click to enlarge

“Spiraleggiare-rimbalzare-andare alla deriva”?
La complessa danza di protoni + ed elettroni – intrappolati dalle linee di campo

Spiraleggiare / spiral gyration?

Quando sono catturati da una linea di campo magnetico, tali protoni+ ed elettroni – vi spiraleggiano intorno, un flusso enorme, i protoni + in senso orario, gli elettroni – antiorario (cariche di segno opposto in direzioni opposte)


Le particelle spiraleggiano intorno alla linea di campo magnetico in media migliaia di volte al secondo.

Rimbalzare / bounce?

Contemporaneamente, protoni + ed elettroni –
rimbalzano/oscillano più volte al secondo dal nord al sud
lungo la linea, tra i 2 poli magnetici (in realtà 2 punti “specchio”)
Vanno così a fornire il materiale per creare le Fasce di Van Allen ma nel farlo contribuiscono a disegnare pure le spettacolari Aurore che conosciamo.


Rimbalzano spiraleggiando intorno alla linea di campo magnetico da un polo all’altro, in qualcosa come 0,1-3 secondi

Andare alla Deriva / drift?

Sempre contemporaneamente, le particelle intrappolate subiscono un “lento” trascinamento:
– quelle con carica positiva (protoni +) si spostano verso ovest, in senso orario
– mentre quelle a carica negativa (gli elettroni –) verso est, in senso antiorario

tutte saltando da una linea di campo ad un’altra prossima, simile all’originale ma leggermente spostata intorno all’asse magnetico della Terra, e creando così una corrente elettrica detta “corrente ad anello“.


In media il tempo per ruotare intorno alla Terra è di pochi minuti (“lento” rispetto agli altri 2 movimenti).

Quando le particelle “rimbalzano” velocissime da nord a sud, si verifica il loro accumulo nelle fasce che si trovano all’equatore magnetico, più lontane dalla Terra.

Perché si crea accumulo di particelle all’equatore magnetico?

Premessa: il campo magnetico è più forte nelle linee di campo più vicine alla Terra (protoni +) e più debole in quelle più distanti (elettroni -).

Conosci i “punti specchio”? Sono la chiave…

Ogni volta che le particelle si avvicinano alla Terra lungo le linee di campo magnetico, esse rallentano dove il campo magnetico è più forte, cioè vicino al pianeta, nelle zone dei Poli, i cosiddetti “punti specchio” (“mirror point”).

Avvicinandosi, le particelle prima rallentano e poi rimbalzano indietro?

Esatto, mentre rallentano, una particolare interazione, la “forza di Lorentz”, che poi è una “riflessione” o “repulsione”, costringe quelle particelle a rimbalzare indietro ed a venire così confinate nella sezione più distante dalla linea di campo, dove restano intrappolate a lungo e il campo magnetico è più debole.

“Punti” in movimento cosa diventano?

Questi “punti specchio” risultano “punti” solo se visti in un ottica statica, ma essendo in realtà tutto dinamico, essi disegnano una sottile striscia atmosferica tutta intorno al globo (quella in cui si vedono le meravigliose Aurore).

Aurora catturata dalla Base Spaziale Internazionale ISS

Hai colto quindi il collegamento Magnetosfera -Fasce Van Allen – Aurora?

L’Aurora si osserva alle alte latitudini (aurora boreale nell’emisfero nord, australe in quello sud), dove le linee di forza del campo magnetico sono più dense.

Lago degli Orsi, Alaska clicca per ingrandire, click to enlarge

In effetti, come appena visto, le linee sono più dense proprio nei punti “specchio” dove le particelle rallentano e subiscono la riflessione e rimbalzano indietro, perché il campo magnetico è più forte.

Queste zone corrispondono proprio all’uscita dell’imbuto a cuspide di cui parlo in altro post della serie.

2 al prezzo di 1?

Comprendi quindi che sono proprio le stesse particelle che, attraverso la complessa danza, contemporaneamente ed incessantemente, se da un lato vanno a creare gli invisibili ed impalpabili “muri” di difesa delle Fasce di Van Allen, “serbatoi di contenimento” per le nocive radioattive particelle solari, galattiche ed extragalattiche…

un’enorme nuvole di particelle solari ed extrasolari investe la minuscola Terra, fotomontaggio grazie a Tiziana “Tirtha” Giammetta clicca per ingrandire, click to enlarge

dall’altro interagendo con l’alta atmosfera ci offrono questo splendido incredibile spettacolo delle Aurore, con intensità variabile a seconda dell’attività solare in corso (riferita però a 1-3 giorni prima, in base alla velocità di propagazione delle particelle energetiche nel vuoto).

credits Maciej Winiarczyk clicca per ingrandire, click to enlarge

In realtà poi, come spiegherò nell’episodio specifico, l’Aurora è proprio il riflesso-messaggero di quanto sta avvenendo molto più in alto: ci dice che sta succedendo qualcosa, anche se non sappiamo cosa, un po’ come le ombre sul muro.

credits Maciej Winiarczykclicca per ingrandire, click to enlarge

Precisazione finale: le Fasce (elevata concentrazione di particelle in determinate zone dello spazio) sono il risultato dell’azione del campo magnetico, ne sono la conseguenza, quindi è il campo magnetico che tramite le Fasce difende la Terra dalle particelle energetico-radioattive nocive solari, galattiche ed extragalattiche, deviandone buona parte verso i Poli.

rappresentazione artistica delle Fasce di Van Allen, credits NASA clicca per ingrandire, click to enlarge

Spero questo post vi abbia affascinato come ha fatto con me, vi aspetto alla terza parte di questo 4° passo verso l’Aurora, dove vediamo “forma, cifre e caratteristiche” di Magnetosfera e Fasce di Van Allen .

“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 – 3a. Campo magnetico terrestre

“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
“In a nutshell” about Aurora – 7a. Colori, l’origine

“In a nutshell” about Aurora -7b. Colori, la magia
“In a nutshell” about Aurora -8. luminosità, movimento e calore
“In a nutshell” about Aurora -9. Curiosità
“In a nutshell” about Aurora -10. Suoni
In a nutshell” about Aurora -11. Emozioni e considerazioni
“In a nutshell” about Aurora -12a. Tempeste solari
“In a nutshell” about Aurora -12b. Disturbi e danni da Flare
“In a nutshell” about Aurora -12c. Disturbi e danni da Cme
“In a nutshell” about Aurora -12d. Simulazione SuperTempesta solare OGGI
“In Nutshell” about Aurora -13a. Ambiente spaziale interplanetario

Link utili:
– fotografo di Aurore, Maciej Winiarczyk da facebook
“matematica e scuola”, le Fasce Van Allen, di Anna M. Abatianni
– le Fasce di Van Allen, “Non c’è due senza tre” di Vincenzo Zappalà
– “Elettromagnetismo, moto di cariche elettriche in campi magnetici”, del prof. Vincenzo Pappalardo
– “Radiazione da frenamento, physicsopenlab.org

– “Rivelatori di Particelle”, prof. Riccardo Paramatti, Università Sapienza e INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Masterclass 2018

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