La cintura o fascia di Van Allen, le aurore boreali spiegate al mio cane

Sto leggendo un bell’articolo e mi rivolgo al mio cane.
Cosa sai delle aurore boreali – domando.

Non è che il mio cane abbia molta voglia di rispondere, visto che sonnecchiava, ma alla fine si decide.
So che sono delle formazioni luminose di diverso colore verde, rosso, azzurro che si formano in prossimità dei poli magnetici della terra per effetto delle interazioni tra le particelle provenienti dal sole e il campo magnetico della terra – mi risponde – E’ tutto quello che so.

Wow. Bravo il mio cane – gli dico – sai quello che è sufficiente sapere. Ma ora ti dico qualcosa in più di questo straordinario fenomeno, così lo puoi raccontare ai tuoi amici facendo un gran figurone.

A dire il vero – mi risponde il mio cane – ai miei amici cani interessano solo le ricette a base di crocchette e/o bocconcini di manzo, ma ascolto volentieri.

Bravo, te sì che sei un buon cane. Allora comincio.
Le particelle ad alta energia cariche provenienti dal sole, chiamate anche plasma dal momento che la composizione chimica è identica a quella della sua corona, si infilano dentro le linee di forza del campo magnetico dei poli nella parte alta dell’atmosfera, la magnetosfera, e interagendo con gli atomi della ionosfera emettono fotoni (luce) danno luogo a questi fenomeni luminosi chiamate aurore boreali.
Più precisamente, accanto ai protoni ad alta energia, vi è un grande numero di elettroni e protoni a energie inferiori (1÷100 keV), che risultano responsabili delle aurore polari nel momento in cui vengono a contatto con l’alta atmosfera.

Detta così sembra tutto facile.
In realtà il motivo per cui particelle cariche del vento solare vengono intrappolate dal campo magnetico terrestre, dipende da una forza.
Questa forza è chiamata forza di Lorenz.

La forza di Lorenz è la forza esercita su una particella carica in moto quando un campo elettrico è in presenza di un campo magnetico.
In pratica si tratta della forza subita da una carica (q) che si muove in un campo magnetico e/o un campo elettrico.

La caratteristica di questa forza sta nel fatto che è sempre perpendicolare al piano individuato dalla direzione del moto della particella (v) e del campo magnetico (B).

A causa di questa forza le particelle elettrocariche vengono respinte dalle regioni dove il campo magnetico è più intenso, ovvero quelle polari, in direzione nord-sud nelle zone tropicali ed equatoriali, spiraleggiando intorno alle linee di forza del campo magnetico.
Di fatto viene a formarsi una fascia di particelle tutt’attorno alla Terra.

Allora è questa la fascia di particelle che viene chiamata fascia di Van Allen – interviene il mio cane.

Prima fascia di Van Allen.
Esatto, mio sapiente amico – rispondo – ma attenzione, contrariamente a quanto si ritiene, c’è più di una fascia di Van Allen. Ascolta.
La prima fascia di Van Allen fu scoperta nel 1958 grazie alla missione spaziale Explorer 1, il primo satellite artificiale lanciato dagli Stati Uniti sotto la guida di Van Allen.
Il satellite trasportava, infatti, un piccolo contatore Geiger per l’osservazione dei raggi cosmici: l’esperimento mostrò che ad alta quota lo strumento non riusciva a rilevare particelle. Poco dopo fu lanciato Explorer III, che permise di scoprire che la mancata rilevazione era da attribuire alla presenza di un’intensa zona di particelle energetiche.

Seconda fascia di Van Allen.
Le successive missioni spaziali di Stati Uniti e Unione Sovietica, le sonde Pioneer 3 ed Explorer IV rilevarono due distinti anelli di elettroni ad alta energia costantemente presenti attorno alla Terra.
Due ciambelle di radiazioni ribollente che circondano la Terra , una specie di barriera quasi impenetrabile che impedisce al più veloce degli elettroni più energetici di raggiungere la Terra.

La cintura interna si estende da 400 a 6.000 miglia sopra la superficie terrestre, mentre la seconda cintura esterna da 8.400 a 40.000 miglia sopra la superficie terrestre.

La fascia più esterna è molto più estesa ed è circondata da una regione a bassa intensità, detta ring current, composta principalmente di elettroni e di ioni, la cui origine è dovuta al concorso di più fenomeni fisici. Le particelle intrappolate sono costrette, dalle linee di forza del campo geomagnetico, a compiere traiettorie spiraleggianti attorno alla Terra.

Lo scudo terrestre.
Tra le due fasce c’è un intervallo di spazio abbastanza vuoto che separa le cinture.
Perché? Perché c’è una regione tra le cinghie senza elettroni?

I dati della sonda Van Allen mostrano che il bordo interno della fascia esterna è, infatti, molto pronunciato. Per gli elettroni più veloci, di altissima energia, questo bordo è un confine netto che, in circostanze normali, gli elettroni non possono penetrare.
E’ come se gli elettroni molto energetici, possono entrare solo entro una certa distanza dalla Terra. Come se una causa esterna interferisca.

È quasi come se questi elettroni si schiantassero contro un muro di vetro nello Spazio.

A 11 mila chilometri, circa, dalla Terra si troverebbe, quindi, una barriera invisibile in grado di respingere gli elettroni killer, particelle che ruotano attorno al nostro pianeta a più di 160 mila chilometri all’ora e che rappresentano un pericolo per astronauti e satelliti.
Il muro invisibile tra le due fasce di Van Allen, (due anelli di protoni ed elettroni ad alta energia che originano dal Sole e sono trattenuti attorno alla Terra dal nostro campo gravitazionale), si estende fino a 40 mila chilometri dalla superficie.

Sono state escluse le cause determinate da trasmissioni radio umane, la stessa forma del campo magnetico che circonda la Terra.
Un’ulteriore e più promettente possibilità è rappresentata dalla plasmasfera, una gigantesca nube di gas elettricamente carico che si estende tra le due fasce di Van Allen e che allontanerebbe gli elettroni killer tramite onde elettromagnetiche a bassa frequenza, un “sibilo” simile al rumore prodotto dalle casse acustiche.

Entrando nella direzione verso la Terra, gli elettroni più energetici hanno poco movimento. Questo movimento così lento e debole può essere respinto dalla diffusione causata dalla plasmasfera tra le due fasce.

Questo aiuta anche a spiegare perché in condizioni estreme, quando in presenza di una intensa eruzione solare viene emesso un forte vento con emissione ed espulsione di massa coronale verso la Terra,  gli elettroni dalla cintura esterna possono essere spinti nello spazio vuoto tra i nastri facendo fluttuare questa area
Il mistero dello scudo invisibile è ancora però tutto da risolvere.

A dire il vero – interviene il mio cane – non ho capito molto. Ho capito che questa seconda fascia di elettroni ad alta energia sono lenti e possono essere bloccati da una gigantesca nube di gas elettricamente carica tra le due fasce di Van Allen. E che questa seconda fascia può essere modificata penetrando nello spazio vuoto a causa di una forte perturbazione dovuta ad una violenta eruzione solare.
Ed ora me ne vado a dormire da un’altra parte.

Fantastico, mio sapientone di cane – rispondo – hai capito perfettamente, ma non te ne andare perché esiste una terza fascia di Van Allen.

Un’altra? Oh no! – esclama sconsolato il mio cane, ma rimane al suo posto.

Terza fascia di Van Allen.
Bravo il mio cane. Sarò breve.
E’ cosa recente che gli scienziati si sono trovati di fronte a una sorpresa: hanno infatti assistito alla progressiva formazione di un terzo “anello di accumulazione” di radiazioni.
Si sa che la terza fascia di Van Allen è una struttura provvisoria.

La chiave per comprendere l’inaspettata presenza di una fascia aggiuntiva, e soprattutto la sua esistenza per un breve periodo di circa un mese, è che i gli elettroni ultra relativistici che costituiscono questa terza fascia interagiscono debolmente con i processi che avvengono in questa zona di spazio.

Secondo alcune simulazioni, confrontate con i dati raccolti dalle Van Allen Probes della NASA, (due satelliti gemelli posti in orbita geocentrica nell’agosto dello scorso anno per studiare queste caratteristiche formazioni), la terza struttura si è prodotta per effetto di una “tempesta” di onde di plasma che hanno strappato elettroni dalla fascia più esterna portandoli in una zona più interna: ma solo uno stretto anello di elettroni ultra-relativistici è sopravvissuto a questa tempesta, mentre quelli meno energetici sono stati dispersi. Dopo la tempesta, la presenza attorno alla Terra di una bolla di plasma molto più freddo ha in qualche modo protetto il neonato terzo anello da ulteriori interazioni con le fasce

Non so – concludo – se hai capito tutto. La cosa più importante da capire è che queste fasce di Van Allen sono una specie di scudo invisibile, come in Star Trek che protegge la nave stellare Enterprise dagli attacchi nemici.

Ma ora basta realmente.

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