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Da Le scienze on line

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Una simulazione ha permesso di spiegare la formazione di una terza fascia di Van Allen. Rilevata nel settembre 2012, questa terza fascia, rimasta stabile per circa quattro settimane, era costituita da elettroni molto energetici strappati dalla fascia più esterna per effetto di una tempesta elettromagnetica prodottasi nel plasma di ioni ed elettroni che costituiscono le altre due fasce composte da particelle cariche che circondano la Terra (red)

La terza fascia di Van Allen, una struttura provvisoria rilevata un anno fa in una posizione intermedia rispetto alle altre due fasce di Van Allen, ovvero due "ciambelle" di particelle cariche che circondano costantemente la Terra trattenute dal campo magnetico del nostro pianeta, è stata modellizzata grazie a una simulazione, frutto di una collaborazione tra i ricercatori dell'Istituto di scienza e tecnologia di Skolkovo, in Russia, e quelli dell'Università della California a Los Angeles (UCLA), che firmano un articolo sulla rivista “Nature Physics” . La chiave per comprendere l'inaspettata presenza di una fascia aggiuntiva, e soprattutto la sua esistenza per circa un mese, è che i gli elettroni ultra-reativistici che costituiscono questa terza fascia interagiscono debolmente con i processi che avvengono in questa zona di spazio. Per questo sono sfuggiti alla rapida dispersione che è invece toccata agli elettroni meno energetici.

La prima fascia di Van Allen fu scoperta nel 1958 grazie alla missione spaziale Explorer 1, il primo satellite artificiale lanciato dagli Stati Uniti. Le successive missioni spaziali di Stati Uniti e Unione Sovietica chiarirono che le fasce costantemente presenti attorno alla Terra sono in realtà due: la prima, più interna, molto stabile, costituita da un plasma di elettroni e ioni positivi ad alta energia, e una più esterna, di soli elettroni ad alta energia, caratterizzata da un comportamento molto più dinamico rispetto a quella interna. Complessivamente, le particelle che costituiscono le fasce provengono dal vento solare o dai raggi cosmici.

L'alterazione della doppia struttura delle fasce è stata osservata due volte, con la proiezione delle particelle cariche che costituiscono le fasce nella zona di separazione, solitamente proibita, per effetto di tempeste magnetiche o di onde elettromagnetiche a bassa frequenza che si propagano nel plasma (i plasmi sono costituiti da particelle cariche in moto, da cui si generano onde elettromagnetiche che interagiscono con le stesse cariche che li generano). Nel corso del primo evento, avvenuto nel 1991, un getto di protoni ed elettroni è penetrato in profondità nella zona intermedia, mentre nel secondo, osservato nel 2003, fasci di elettroni sono stati accelerati fino a velocità prossime a quella della luce. Per quanto intensi, questi due episodi sono stati di durata limitata.

Diversamente, nel settembre del 2012 si è verificata la formazione di un terzo anello intermedio, rimasto stabile per circa quattro settimane. In questo studio, i ricercatori dell'UCLA sono riusciti a modellizzare questa terza fascia di Van Allen e spiegarne la dinamica. È costituita da elettroni ultra-relativistici, ovvero elettroni che sono così energetici da muoversi a velocità prossime a quella della luce e si comportano secondo leggi fisiche diverse da quelle che si osservano a energie e velocità più basse. Gli elettroni ultra-relativistici che costituiscono la terza fascia sono presenti abitualmente sia nella fascia interna sia in quella esterna e sono particolarmente temuti dalle missioni spaziali dato che possono danneggiare anche i satelliti artificiali meglio protetti.

Secondo le simulazioni degli autori, 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.

Un notevole risultato dello studio è la scoperta del fatto che le onde a frequenza molto bassa che percorrono il plasma, ritenute dominanti nei processi che accelerano e disperdono gli elettroni della fascia di Van Allen, non influenzano gli elettroni ultra-relativistici.

Le fasce di Van Allen “non possono più essere considerate una massa omogenea di elettroni: si comportano in accordo con le loro energie e reagiscono in diversi modi ai disturbi che provengono dallo spazio”, spiega Yuri Shprits, primo firmatario dell'articolo. “Questo studio mostra che nello spazio ci sono popolazioni di particelle tra loro differenti su diverse scale temporali, il cui comportamento è regolato da una fisica diversa e mostrano strutture spaziali molto differenti tra loro”.

“Le particelle ultra-relativistiche si muovono molto velocemente e non possono essere alla frequenza giusta con le onde quando sono vicine al piano equatoriale”, aggiunge Ksenia Orlova, ricercatrice dell'UCLA che ha partecipato allo studio. “Questa è la ragione per cui l'accelerazione e la diffusione nell'atmosfera degli elettroni ultra-relativistici da parte delle onde è meno efficiente”.

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