“In a nutshell” about Aurora –3c. Cometa, toroidi e particelle

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Magnetosfera e Fasce di Van Allen: forma, cifre e caratteristiche

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. 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
  • della complessa danza che si forma nell’interazione tra il Vento Solare e la Magnetosfera, dove le particelle vanno ad accumularsi in fasce di contenimento molto mutevoli e dinamiche, le Fasce di Van Allen

Ho pensato questo post per episodi in modo diverso, domande e risposte, in modo da facilitare la lettura e stimolare la curiosità. Qui approfondisco forma, cifre e caratteristiche di Magnetosfera e Fasce di cui ho parlato nei precedenti due post.

Una premessa fondamentale a questo punto devo farla. Ci sono in particolare due perplessità scottanti che scaldano gli animi quando si parla di Fasce di Van Allen:
– sono radioattive sì o no?
– si possono attraversare sì o no?

In questo e nel prossimo post affronto i temi, ma qui voglio fare un invito a chi legge: il primo problema nella comprensione sta nel prendersi il giusto tempo per approfondire e capire, senza partire in quarta con informazioni parziali e scorrette, nel caso peggiore accecati ormai dalla convinzione che sia tutto falso. Se infatti si affrontano queste domande oramai convinti che siano quasi tutte bugie, che chi si occupa di divulgazione lo fa solo per imbrogliare, e la curiosità scientifica non esiste più, i lavori di noi appassionati divulgatori scientifici diventano perfettamente inutili.

Così chiedo questa cortesia a chi mi legge:
calma e pazienza, sto lavorando per te! Sii gentile, preparo con impegno questi post non per prenderti in giro, ma per darti informazioni il più possibile corrette, chiare, comprensibili”.

Bene, dopo aver visto cosa sia la Magnetosfera e quanto sia complessa la danza delle particelle frutto dell’interazione tra Vento Solare e Magnetosfera, ora do un’occhiata alle loro caratteristiche.

Magnetosfera, il primo scudo di difesa terrestre: che forma ha?

Se hai seguito il post sulla Magnetosfera, lo sai già: forma dipolare (dipolo magnetico), bolla deformata “a cometa”.

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

Fino a che altezza viene compressa dal lato illuminato dal Sole?

La magnetosfera quindi è il campo magnetico terrestre nella sua globalità e comprende le linee di campo che dal lato illuminato dal Sole vengono compresse fino a 64.000 km (10 raggi terrestri, resistendo e proteggendoci da una pioggia letale)…

E dall’altro lato, a che distanza arriva?

dal lato notturno vengono stirate fino a distanze incredibili (la “coda magnetica” si trova a circa 300.000 km, 47 raggi terrestri, ma la magnetosfera si estende per parecchie centinaia di raggi terrestri, ben oltre l’orbita media della Luna, 384.000 km, impressionante!).

Nell’immagine, tratta dal video della Nasa, visibili le linee di campo magnetico ma anche la magnetosfera (l’area azzurra a forma di cometa)

Dalla coda geomagnetica, a seguito di tempeste geomagnetiche, in un velocissimo percorso di ritorno “elettroni vengono iniettati e successivamente energizzati attraverso le interazioni onda-particella” (Andreotti Roberto).

Nell’immagine, tratta dal video della Nasa, si notano le particelle che per riconnessione magnetica scattano indietro dalla magnetotail come un colpo di fionda

Fasce di Van Allen, i preziosi imponenti “muri“ invisibili, impalpabili e mutevoli: che forma hanno?

Una forma piuttosto comune nell’Universo, quella “toroidale”.

Forma toroidale: cos’è un “toroide”?

Siccome è fondamentale, quando si spiega un concetto, essere sicuri che chi segue il discorso abbia ben chiaro di cosa si parla, altrimenti si perde subito, ecco un toroide: corrente elettrica ruota in orizzontale (freccia rossa), il campo magnetico viene generato intorno al movimento circolare (frecce verdi).

Come si forma?

Campo magnetico associato a campo elettrico: mentre la corrente viaggia (frecce rosse), il campo magnetico (blu) ruotandole attorno disegna una forma tridimensionale.

In 3D come appare?

La forma tridimensionale che ne consegue è detta toroide per l’appunto, da cui l’immaginazione riporta a “ciambella” o “salvagente”.

Ricordi l’immagine di copertina del post precedente?

Come detto, il campo magnetico terrestre ha al suo interno queste Fasce, come risultato di quella complessa danza di particelle nell’interazione con il vento solare, come ti ho spiegato.

rappresentazione artistica NASA

Toroide, ciambella o salvagente?

Sono, come le definisce con grande efficacia il prof. Zappalà nel suo articolo, “ciambelle” o “salvagenti” (proprio questo sembrano), che intrappolano la gran parte delle particelle dotate di carica elettrica provenienti dal Sole e dalla galassia o fuori di essa (raggi cosmici)

In questa bellissima raffigurazione ora puoi apprezzare la forma a toroide e la spirale avviata dall’effetto ciclotrone in ogni singola linea di campo magnetico.

Le Fasce si possono anche definire come zone “lobate”, cioè zone suddivise in lobi, attorno alla Terra.

Che caratteristiche hanno le Fasce?

Attenzione: le Fasce sono state e continuano ad essere studiate da sonde e satelliti (Explorer 4, Pioneer 3, Van Allen probes) che effettuano misurazioni che poi nuove ricerche analizzano e interpretano, per cui nuovi dati periodicamente continuano ad arricchire le nostre conoscenze; il quadro è tutt’altro che semplice e molto ancora c’è da scoprire sul loro funzionamento.

Rappresentazione artistica delle sonde gemelle della missione Radiation Belt Storm Probes – RBSP, ribattezzata “Van Allen Probes“, credit JHU / APL (Johns Hopkins University / Applied Physics Laboratory) di Laurel, MD – clicca per ingrandire, click to enlarge

Perché le misurazioni che si trovano sul web sono sempre così diverse da fonte a fonte?

Succede poiché non è possibile stabilire con precisione un confine. L’estensione di questi toroidi, essendo essi riempiti da particelle cariche solari oltreché da quelle dei raggi cosmici della galassia, dipende dall’attività solare

… quindi le Fasce si gonfiano e sgonfiano costantemente in base alla quantità di particelle cariche che arriva dal Sole, “Meteo Spaziale-Space Weather.

credits ESA clicca per ingrandire, click to enlarge

Si estendono dappertutto intorno alla Terra?

No! Come hai appena visto, non si estendono in tutte le direzioni, al contrario hanno forma approssimativamente toroidale, nei toroidi si concentra la maggior quantità di particelle.

Sono fasce statiche, fisse e con confini ben definiti?

Come detto No! Esattamente l’opposto. Sono sfumate come le nuvole e la loro natura è dinamica e ad intensità variabile, non è possibile stabilire con precisione dove comincino e dove finiscano perché esse possono crescere e calare in risposta all’energia in arrivo dal sole.

credit Maurizio Cabibbo, Astroinfinity.it

Quante sono alla fine?

Nell’aspetto tradizionale sono divise in 2 parti principali, “interna” più densa ed “esterna” più blanda (con grande variabilità di intensità e di estensione)...

separate da una “zona sicura” detta slot, una sorta di fessura di scarico, ma ne è stata identificata anche una 3^ temporanea.

Esiste anche una 3^ fascia quindi?

Sì, ma è transitoria e sembra dissolversi in poche settimane. Identificata nel 2014 è la più esterna di tutte, ed è composta da particelle cariche ultra-relativistiche (velocità prossima a quella della luce) ad alta energia, prodotta dell’espulsione di massa coronale del Sole.

rappresentazione grafica della transitoria terza fascia di Van Allen, credits NASAo’s Goddard Space Flight Center/Johns Hopkins University, Applied Physics Laboratory clicca per ingrandire, click to enlarge

Quali particelle vi si accumulano?

Principalmente elettroni- e protoni+, la cui enorme complessa danza, dovuta all’interazione con la Magnetosfera, è responsabile anche del fenomeno delle Aurore boreali ed australi che si osservano ai Poli.

la differenza di dimensioni delle due particelle è enormemente evidente

Particelle con energie enormi: un piccolo paragone?

Più aumenta la velocità più aumenta l’energia delle particelle. Singoli ioni (protoni+) ed elettroni-, tanto per fare un paragone:

  • “aurora boreale” 1.000-15.000 eV (elettronVolt)
  • “fascia interna Van Allen” 50.000.000 eV!!

Insomma, le Fasce ci difendono o no?

In realtà non è esatto! Esse sono solo la conseguenza diretta dell’azione del campo magnetico terrestre (magnetosfera), quindi un serbatoio di “contenimento” per tutte queste particelle. La magnetosfera ci difende, le Fasce semplicemente raccolgono e raggruppano, fungendo da serbatoi.

rappresentazione artistica dove le dimensioni e le distanze NON sono in scala: il Sole sarebbe enormemente più lontano, la Terra molto più piccola

Sono radioattive?


Si, ma attenzione, è necessario distinguere, perché su questo punto c’è molta confusione!

NON si tratta di “emissioni” radioattive ionizzanti, cioè raggi UV, X, gamma, altamente penetranti e dannose, le cosiddette “radiazioni elettromagnetiche“!

la parte ionizzante, pericolosa, delle radiazioni elettromagnetiche è sulla destra, a partire dagli Ultravioletti e a seguire raggi X e raggi Gamma

Se non sono “radiazioni elettromagnetiche”, cioè fotoni, allora che cosa sono?

Sono in realtà “particelle” cariche (elettroni – e protoni +) molto energetiche, che possono avere effetti sui tessuti organici e sui circuiti elettronici, dette “radiazioni particellari“, poiché nell’avvicinarsi o nello scontro con altra materia emettono radiazioni.

La differenza sostanziale? Ci si può difendere con le giuste precauzioni (schermature su tute e veicoli spaziali, traiettoria, velocità)!

EVA, Extra-vehicular activity, e ISS, Base Spaziale Internazionale – Credits NASA clicca per ingrandire, click to enlarge

Se sono radioattive, non si devono attraversare, giusto?

Non è giusto né sbagliato: in realtà si “possono” attraversare, perché il pericolo di esposizione per gli esseri umani diminuisce di molto se si adottano questi accorgimenti:

collage generosamente elaborato da Tiziana “Tirtha” Giammetta
  • si aumenta la velocità di attraversamento e
  • si modifica la traiettoria orbitale in modo da lambirle oppure attraversarle nelle zone di minore densità
credits Rocket & Space Technology clicca per ingrandire, click to enlarge

Immagine qui sopra: Apollo 11 (e le altre missioni Apolllo) ha facilmente evitato le aree di maggior flusso, riducendo così al minimo l’esposizione. I puntini rossi indicano l’ora con incrementi di 10 minuti. Il bordo estremo della cintura elettronica è stato raggiunto in circa 90 minuti, la zona interna è stata attraversata in circa 30 minuti e la regione delle particelle più energetiche è stata costeggiata in circa 10 minuti.

Ok, non ci sono confini fissi e certi, però si può avere un riferimento?

Ma certo, se hai capito che le Fasce sono estremamente mutevoli e quindi le misurazioni variano notevolmente nel tempo, ti presento delle cifre ragionevoli.

La Fascia Esterna?

  • la più ampia e blanda (effetti moderati)
  • indicativamente da 6.000-12.000 km fino a 60.000 km (1,5-10 raggi terrestri), quindi oltre la zona orbitale dei satelliti geostazionari, in orbita fissa attorno alla Terra a 36.000 km
  • “è la più esterna, la più turbolenta, si agita, s’allarga e si restringe senza sosta, in quanto la popolazione di particelle “fluttua” notevolmente in base all’attività solare e alla stagione” (Marco Malaspina, Inaf)
  • principalmente elettroni- ad alta energia (da 0,1 a max 10 MeV), anche se molto inferiore ai protoni della fascia interna
  • elettroni- vengono iniettati dalla coda geomagnetica a seguito di tempeste geomagnetiche e successivamente vengono energizzati attraverso le interazioni onda-particella” (Andreotti Roberto, Insa – Istituto Nazionale Studi Astronomici)
tratto dal video della NASA

Marco Malaspina dell’Istituto Nazionale di Astrofisica – INAF spiega brevemente le Fasce in questo utile video.

La Fascia interna?

  • la più densa ma anche sottile
  • indicativamente da 1.000 a 15.000 km (0,2-2 raggi terrestri), in media 3.000 km
  • tale fascia può scendere tuttavia fino a 200 km, in tal caso viene identificata come “Anomalia Sud Atlantica o SAA

… quindi abbondantemente al di sotto della quota orbitale della Base Spaziale Internazionale – ISS, che infatti la lambisce periodicamente.

  • vi sono elettroni – anche qui, ma principalmente protoni + ad alta energia (da 10 a 100 MeV), il prodotto secondario dei raggi cosmici.

In questa bella animazione puoi apprezzare come la Base Spaziale Internazionale ISS lambisca proprio questa Anomalia ogni circa 90 minuti sfrecciando a 28.000 km/h.

Credit: NASA, ESA, M. Kornmesser (ESA/Hubble)

Ho parlato di un “aspetto tradizionale”: esiste anche un aspetto alternativo?

Si, i diversi livelli di energia degli elettroni – disegnano altre fasce, come segnala un articolo di Elisabetta Bonora: “La forma delle Fasce è in realtà molto diversa a seconda del tipo di elettroni – che si stanno analizzando, essendoci elettroni – a differenti livelli di energia distribuiti diversamente in queste regioni”.

Geoff Reeves, del Los Alamos National Laboratory e del New Mexico Consortium di Los Alamos, New Mexico – Credit: NASA Goddard/Duberstein

In base a questa recente analisi, quindi, rispetto alla concezione classica (fig.1) le Fasce di radiazione possono assumere contemporaneamente strutture molto varie, a seconda di cosa si sta guardando”.

Aspetto tradizionale – immagine 1

Osservando elettroni- a bassa energia, 0,1 MeV = Megaelettron Volt risulta l’immagine 3: una cintura interna più grande con una esterna più piccola

Osservando elettroni- ad energie superiori, 0,8 MeV risulta l’immagine 4; un’unica ciambella senza alcun spazio vuoto

Osservando ai più alti livelli energetici, >1 MeV risulta infine l’immagine 2: nessuna fascia interna

C’è poi ovviamente da considerare la pesante influenza delle tempeste geomagnetiche nel quadro generale.

Gli elettroni- della Fascia esterna, quanto sono pericolosi?

Nella Fascia Esterna transitano solo le sonde per il Sistema Solare, i satelliti geostazionari, le missioni lunari e quelle future per Marte.

Gli elettroni – che sono qui prevalenti:

  • occupano sì un volume molto più esteso
  • hanno sì un flusso elevato (gli elettroni sono da 0,1 a 10 Mev, quelli con energia maggiore di 1 MeV sono circa 1.000.000/cm2/s, quindi tantissimi)

tuttavia è sufficiente uno spessore di 2 cm di alluminio per schermarli completamente (“dunque si può assumere che all’interno della capsula lunare non arrivasse praticamente alcun elettrone -“).

splendida famosa immagine del “modulo di comando e servizio” in orbita lunare Apollo – credits NASA, clicca per ingrandire, click to enlarge

Da dove provengono questi elettroni -?

Essi aumentano o diminuiscono in quantità in risposta alle tempeste geomagnetiche conseguenti all’attività solare; l’aumento è causato dalle iniezioni dovute alla tempesta che arriva dal lato illuminato dal Sole e…

tratto dal video NASA

…alla accelerazione delle particelle dalla coda della Magnetosfera (“magnetotail”), come a seguito di un “istantaneo e violento schiocco di frusta(Michele Diodati).

tratto dal video NASA

I protoni + della Fascia interna, quanto sono pericolosi?

È vero che sono potenzialmente pericolosi perché:

  • sono molto più penetranti
  • possiedono un’energia maggiore (> 10 MeV)
  • particelle di tale energia perforano facilmente le pareti di satelliti e stazioni spaziali e quindi sono zone da evitare accuratamente

tuttavia bisogna considerare che

  • occupano un volume molto piccolo essendo la fascia interna sottile (tanto che il modulo lunare impiegava solo pochi minuti per attraversarla, e lo stesso accade anche alla ISS più volte al giorno nell’anomalia sud-atlantica, come visto prima)
  • qui il flusso è più basso (circa 20.000/cm2/s)
  • con strategici accorgimenti si può evitare o limitare al massimo l’attraversamento (velocità elevate e opportuna inclinazione della traiettoria, che appena lambisca l’area)
collage generosamente elaborato da Tiziana “Tirtha” Giammetta

Da dove provengono questi protoni +?

I protoni+ ad elevata velocità provengono dalla galassia o da altre galassie e nello scontro con l’atmosfera producono sciami secondari che in parte finiscono sulla Terra (raggi cosmici), in parte vengono riflessi nello spazio, in parte restano intrappolati qui.

Ci sono però anche i protoni + provenienti dal vento solare misto alle eruzioni di massa coronale – Cme.

credits NASA

Quasi dimenticavo, c’è un’altra barriera! Mai sentito parlare di “Plasmasfera” e “killer electrons”?

La “sfera di plasma” è una gigantesca nuvola di particelle cariche relativamente fredde che riempie la regione più esterna dell’atmosfera terrestre, a partire da circa 1.000 km di altezza e si estende parzialmente nella cintura esterna di Van Allen.

la plasmasfera interagisce con le particelle nelle Fasce di Van Allen (in grigio) per creare una barriera impenetrabile che impedisce agli elettroni più veloci di avvicinarsi al nostro pianeta

Gli elettroni più energetici (ultrarelativistici” e “killer electrons“, gli elettroni- che viaggiano quasi alla velocità della luce e possono provocare danni a satelliti e missioni spaziali, energia > 5 MeV) non riescono però a superare la fascia esterna in direzione della Terra, per avvicinarsi all’atmosfera terrestre, questa potente invisibile impenetrabile barriera glielo impedisce.

In conclusione, queste particelle proprio non possiamo vederle in alcun modo???!!

In realtà sì, si possono “vedere”: pur microscopiche, invisibili ed impalpabili, sono rivelabili ad esempio:

  • attraverso adeguata strumentazione come i rilevatori negli acceleratori di particelle
Riccardo Paramatti, “Rivelatori di Particelle”, Università Sapienza e INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Masterclass 2018
  • incredibilmente tramite le telecamere esterne sulla Base Spaziale Internazionale – ISS, che orbitando proprio nella “Anomalia Sud Atlantica” (SAA, southern atlantic anomaly) ci regala questo affascinante spettacolo l’8 gennaio 2018 alle 1:29 CET, catturando le tracce delle particelle di cui ti sto parlando, che Paolo Attivissimo descrive come una “nevicata notturna”
Recorded 8 January 2018 from ISS public video stream to highlight the effect of charged particles on the external video camera sensors. This video has no sound. Paolo Attivissimo
  • oppure attraverso fenomeni atmosferici particolari come le aurore (che ci fanno intendere che qualcosa di “grosso” sta capitando molto più in alto)
foto di Maciej Winiarczykclicca per ingrandire, click to enlarge
  • o anche molto più vicini a noi, tramite i fulmini
clicca per ingrandire, click to enlarge

Ti ha affascinato tutto questo, come è successo a me? Lo spero vivamente e ti aspetto al prossimo episodio. Grazie per avermi seguito fino a qui.

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 – 3a. Campo magnetico terrestre
“In a nutshell” about Aurora – 3b. Fasce di Van Allen
“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:
– “Spazio Tempo Luce Energia“, blog di Michele Diodati
La storia infinita delle Fasce di Van Allen, di Matteo Negri
Fasce di Van Allen e Aurore Polari, di Simona Romaniello
Le Fasce di Van Allen, “Non c’è due senza tre” di Vincenzo Zappalà
– Le Fasce di Van Allen, Inaf OAS Bologna – Osservatorio di Astrofisica e Scienza dello Spazio, Paragone energia Fasce-Aurora
“LA TERRA, IL NOSTRO PIANETA, LA NOSTRA CASA”, by Andreotti Roberto e video di Fabio Bellardini – Insa, Istituto Nazionale Studi Astronomici
Il trasformismo delle Fasce di Van Allen, di Elisabetta Bonora
Plasmasfera e “killer electrons”, NASA
Fasce di Van Allen, risposte alle critiche, di Paolo Attivissimo
Traiettoria translunare dell’Apollo 11, di Robert A. Braeunig
Video Fasce Van Allen, di Marco Malaspina – Inaf
Video ISS crosses the South Atlantic Anomaly, e nevicata notturna, di Paolo Attivissimo
Giorni di Tempeste Geomagnetiche, di Michele Diodati
“Rivelatori di Particelle”, di Riccardo Paramatti, Università Sapienza e INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Masterclass 2018

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