“In a nutshell” about Aurora -5. Generatore aurorale

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Un oceano elettromagnetico in Magnetosfera, “fiumi” di correnti elettriche nelle Cuspidi Polari

straordinaria foto credit Francesco Gennari, “Storm Chasing and Weather Photography” – clicca per ingrandire, click to enlarge

Fin qui 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
  • delle radiazioni in generale, quelle elettromagnetiche e quelle particellari
  • e di come tali radiazioni si comportino e propaghino in modo diverso, sulla Terra e nello Spazio
  • di queste radiazioni considerate dalla prospettiva della Stazione Spaziale Internazionale ISS, rischi reali, schermature e Anomalia Sud Atlantica
  • delle Cuspidi Polari, i lunghissimi imbuti dove precipitano spiraleggiando in caduta libera le particelle energizzate che scontrandosi poi con l’alta atmosfera danno vita alle Aurore spettacolari

Nel post precedente ho riassunto il processo di formazione delle Aurore nell’interazione tra le particelle del vento solare, catturate ed energizzate dalla magnetosfera terrestre, e l’atmosfera terrestre attraverso le Cuspidi Polari, ma non ho chiarito molto. Mi spiego meglio ora. Che succede in realtà a partire da quando avviene questa famosa interazione?

È tutta questione di correnti elettriche!
Un “oceano” elettromagnetico investe costantemente la nostra Magnetosfera

Le interazioni fra campo magnetico terrestre e vento solare (il quale trascina con se il campo magnetico solare fino all’estrema periferia del Sistema Solare) danno origine ad un sorta di gigantesco generatore.

elaborazione digitale di Tiziana “Tirtha” Giammetta clicca per ingrandire, click to enlarge

“Generatore Aurorale”, super mega centrale elettrica da 13.000 a 95.000 km (6-15 raggi terrestri) sopra le nostre teste

La magnetopausa (confine tra magnetosfera terrestre e vento solare) costituisce un gigantesco generatore…

… che trasforma l’energia cinetica delle particelle del vento solare in energia elettrica.

3D Electric powerlines over sunrise

Da questo oceano, “fiumi” di correnti elettriche che scorrono accelerati e impetuosi nelle Cuspidi Polari

Le Aurore sono associate con forti correnti elettriche che collegano la Terra allo spazio e tali correnti sono dovute a differenze di potenziale.

eccezionale foto credit Francesco Gennari, “Storm Chasing and Weather Photography clicca per ingrandire, click to enlarge

Durante un’Aurora vengono prodotte enormi quantità di energia elettrica quando milioni di ampere di correnti elettriche attraversano l’atmosfera e generano quasi 900 miliardi di watt di energiaprincipalmente in calore ma circa 1% in luce.

Tutta questa energia, non è possibile sfruttarla?

Non ci è noto alcun modo per sfruttare questa energia a causa delle vaste scale su cui viene prodotta e della bassissima densità di questa potenza. “Sarebbe come provare a sfruttare l’energia meccanica di uno stormo di zanzare”.

Astronomer Sten Odenwald NASA IMAGE/POETRY
spettacolare immagine da Aurora Borealis Observatory, Anders

L’atmosfera come vasto circuito elettrico, con Troposfera e Stratosfera come isolanti

Nello spazio queste correnti si muovono trasportate dagli elettroni lungo le linee di campo magnetico, in un sistema molto complesso.

correnti di Birkeland o field-Aligned e correnti ionosferiche collegate di Pedersen e Hallfonte Wikipedia

Alcune correnti si muovono verso lo spazio, altre verso la Terra; avvicinandosi alla Terra incontrano la Ionosfera

le distanze, in questa chiara infografica, non sono in scala: la Troposfera risulterebbe sottilissima, mentre Termosfera ed Esosfera molto più ampie…

il loro circuito è completato dallo strato E della Ionosfera, a 125 km di quota, che conduce bene l’elettricità.

In questa infografica è molto ben visibile la stratificazione in verticale, ed evidenziata l’estensione della Ionosfera grazie alla freccia tratteggiata bianca.

le frecce gialle laterali indicano gli strati atmosferici, ai bordi altezza in km e sulla destra indicazione temperature clicca per ingrandire, click to enlarge

Negli strati più bassi l’aria più densa è un ottimo isolante e quindi le correnti non raggiungono il terreno.

scendendo di quota nota come la rarefazione (distanza) delle particelle di gas diminuisce e quindi l’aria si fa sempre più densa, fino a diventare un oceano tutt’intorno a noi

Ricordi il fenomeno della “riconnessione magnetica”?

Avviene praticamente quando si scontrano e fondono due linee di campo magnetico ma anche quando si fondono il campo magnetico solare con quello planetario.

brillamento del 17/08/2011Credit: NASA/SDO/RHESSI/Goddard

Nel caso della Terra, il fenomeno avviene quindi regolarmente nell’interazione tra vento solare e campo magnetico geotail (coda geo-magnetica).

Nell’immagine si notano le particelle che per riconnessione magnetica scattano indietro dalla magnetotail come un colpo di frustacredit Università di Oslo, dipartimento di Fisica e NASA

Il cosiddetto “colpo di coda” è il principale responsabile

Queste correnti di conseguenza non vengono dal Sole ma dalla coda magnetica della Terra. Le tempeste solari e gli altri disturbi del vento solare creano instabilità proprio qui, nella coda.

credit Università di Oslo, dipartimento di Fisica e NASA

Essa ondeggia come una “manica a vento”…

… il che provoca stiramenti e il fenomeno della riconnessione di alcune delle linee di campo geotail quando, come un elastico troppo teso, “improvvisamente si spezza e schiocca indietro come una frusta” nella magnetosfera interna (Michele Diodati).

Ora attenzione, due equivoci da chiarire:

  • NON c’è alcun ingresso “diretto” di particelle solari nelle regioni polari per creare l’aurora
    (infatti come hai visto interviene tutto un processo filtrato da magnetosfera e Fasce)
  • i Flares NON causano l’aurora
    (è la gran quantità di materiale veicolato dal vento solare, dalle eruzioni coronali Cme a causarla, come pure i Buchi coronali, mentre i protoni accelerati dai brillamenti hanno un ruolo marginale)

In 2 fasi il generatore trasforma l’energia cinetica in energia elettrica

1^ fase: riorganizzazione-riconnessione

Succede che, mentre le tempeste solari “disturbano” il campo magnetico terrestre, questo campo si riorganizza e converte appunto parte dell’energia immagazzinata in energia cinetica di particelle in rapido movimento che vengono “frustate” dalla coda verso l’interno (riconnessione magnetica).

l’immagine di Guerre Stellari evoca la grande accelerazione impressa dalla riconnessione magnetica

A proposito, ovviamente tutta questa energia cinetica di accelerazione, spiraleggiante (come ho detto quando spiegavo della radiazione da sincrotrone) produce un bel po’ di calore!

Queste particelle, in parte dal Sole e in parte dalla Terra, scorrono verso l’interno, verso il nostro meraviglioso pianeta lungo le linee del campo magnetico polare che ora conosci meglio, gli imbuti detti “cuspidi”…

ANDØYA SPACE CENTER / Trond Abrahamsen

precipitandovi spiraleggiando e scendendo quindi verso l’atmosfera più bassa e via via sempre più densa: ma attenzione, sono ancora invisibili!

2^ fase: accelerazione-collisione

Come si crea la Magia!
Dinamica di miliardi di micro-scontri

Quando incontrano la Ionosfera, tali particelle energizzate vengono accelerate e potenziate in energia a 6.000 volt o più…

la Ionosfera è suddivisa negli strati qui schematizzati D, E, F1, F2la linea rossa non c’entra, rappresenta la temperatura lungo gli strati

… e a questo punto si scontrano violentemente con gli atomi neutri di Ossigeno (O) prima e Azoto (N) poi, prevalenti in alta atmosfera

Scopriamo le scienze della Terra“, di Jay Phelan, Maria Cristina Pignocchino – Zanichelli

riscaldandoli (energia termica) e ionizzandoli

con la ionizzazione atomi ed elettroni si slegano diventando protoni ed elettroni slegati

1. la collisione con una particella ad alta energia (elettrone-) eccita l’atomo
2. la collisione provoca il salto quantico dell’elettrone neutro (blu) ad un livello di energia superiore (rosso)
3. dopo un tempo caratteristico l’elettrone eccitato (rosso) ritorna allo stato iniziale di quiete, un “quanto” inferiore, rilasciando nel farlo energia elettromagnetica sotto forma di fotone

una semplice quanto efficace infografica che mostra come avviene l’emissione di fotone in seguito a collisioneAnnarita di Scientificando

… e così, a questo punto sì che si fanno vedere…

… dando infatti luogo all’emissione di radiazione (in parte X di Bremssthralung e in parte irrisoria energia luminosa), producendo quindi la luce aurorale che conosci.

credits Davide Necchi – “A Zonzo per le Montagneclicca per ingrandire, click to enlarge

Certo, considera, se per ipotesi non ci fossero le Aurore (e quindi neanche la Ionosfera), non vedresti niente di tutto questo incredibile colossale portentoso movimento in alta quota!

foto di Maciej Winiarczyk – clicca per ingrandire, click to enlarge

La ionizzazione del gas, quindi il plasma, rende possibile la visione di parte di questo fiume di particelle in movimento lungo le linee del campo magnetico terrestre…

foto di Maciej Winiarczyk – clicca per ingrandire, click to enlarge

così come sul Sole (che è una sfera di plasma rotante) il plasma rende visibili le linee di campo magnetico negli anelli o archi coronali, certo con tutt’altre dimensioni.

Sono ormai quasi giunto alla fine di questa avventura; con i prossimi post entro nel “vivo” delle curiosità più stuzzicanti sulle Aurore, l’obiettivo di questa serie “In a nutshell” about Aurora. Per salutarti, ti lascio la comoda infografica riassuntiva della NASA che forse ricorderai dai primi post usciti in questa serie.

Per ingrandire l’immagine e poter così leggere tutto l’utile esplicativo testo, clicca qui click here – credits NASA/NOAA

Gli altri link di questo viaggio verso le Aurore:
– “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 – 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 -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:
– “come gli atomi emettono luce“, di Annarita, Scientificando
– infografica Aurora con distanze e gas, di Davide Necchi, “A Zonzo per le Montagne

foto di Aurore, di Maciej Winiarczyk
– foto Aurora rossa, Aurora Borealis Observatory, Anders
– eccezionale foto di fulmini di Francesco Gennari, “Storm Chasing and Weather Photography
– “Giorni di Tempeste Geomagnetiche“, Spazio Tempo Luce Energia, di Michele Diodati
– rubrica “Chiedi allo scienziato Spaziale”, Dr. Sten Odenwald, astronomo (Raytheon STX) per il progetto NASA IMAGE/POETRY

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