Importanti ricadute per lo studio di altri pianeti

Radiazioni nell’atmosfera della Terra, risolto il mistero di Van Allen [VIDEO]

[20 dicembre 2013]

Una nuova ricerca pubblicata su Nature risolve una controversia scientifica vecchia decenni riguardante un ambiente dell’atmosfera terrestre vicina allo spazio (le fasce di Van Allen) sull’origine delle particelle estremamente energetiche conosciute come gli elettroni ultra-relativistici.

La ricerca – intitolata Rapid local acceleration of relativistic radiation-belt electrons by magnetospheric chorus – potrebbe influenzare la nostra comprensione della magnetosfera planetaria in tutto l’universo. Le fasce di radiazioni di Van Allen sono state scoperte nell’atmosfera superiore della Terra nel 1958 da un team guidato dallo scienziato spaziale James Van Allen. La nuova ricerca è stata finanziata dalla Nasa, che ha lanciato le sonde gemelle di Van Allen nell’estate del 2012.

Un team di scienziati statunitensi guidato Richard Thorne, professore di scienze atmosferiche e oceaniche all’Università di California – Los Angeles (Ucla), spiega su Nature che «Una recente analisi dei dati satellitari ottenuti durante la tempesta geomagnetica del 9 ottobre 2012 ha identificato lo sviluppo dei picchi nell’electron phase space density, che sono una prova convincente dell’accelerazione locale di elettroni nel cuore della cintura di radiazione esterna ma sono incompatibili con l’accelerazione da trasporto radiale diffusivo interno. Tuttavia, il preciso meccanismo fisico responsabile per l’accelerazione del 9 ottobre non è stato identificato. Una modellazione precedente aveva indicato che una emissione elettromagnetica magnetosferica, nota come  chorus, potrebbe essere un potenziale candidato per l’accelerazione locale di elettroni, ma una soluzione definitiva dell’importanza del chorus per l’accelerazione della cintura di radiazioni non è stata possibile a causa delle limitazioni nel range di energia e della risoluzione delle osservazioni precedenti degli di elettroni e della mancanza di un dynamic global wave mode».

Il team di ricercatori riporta le osservazioni ad alta risoluzione degli elettroni ottenute durante la tempesta del 9 ottobre e, utilizzando un simulazione bi-dimensionale eseguita con un “time-varying data-driven model” sviluppato di recente, dimostra che «La dispersione del chorus spiega l’evoluzione temporale sia dell’energia che la distribuzione angolare dell’aumento osservato del flusso di elettroni relativistici. La nostra modellazione dettagliata dimostra la notevole efficienza dell’accelerazione dell’onda nella fascia di radiazione esterna della Terra ed i risultati presentati hanno un potenziale applicazione a Giove, Saturno e altri oggetti astrofisici magnetizzati».

Infatti, come evidenzia Thorne, «Il local wave-acceleration process è un processo fisico universale e dovrebbe anche essere efficace nelle magnetosfera di Giove, Saturno e in altri ambienti di plasma magnetizzato nel cosmo. Penso che i nuovi risultati della analisi dettagliata della Terra influenzeranno il futuro della modellazione di altre magnetosfere planetarie».

All’Ucla sottolineano che «La scoperta dei processi che controllano la formazione e la perdita definitiva di questi elettroni nelle fasce di radiazione di Van Allen, gli anelli di particelle altamente cariche che circondano la Terra a una distanza di circa 1.000 – 50.000 chilometri sopra la superficie del pianeta, è un obiettivo scientifico primario di il recente missione Van Allen Probes  della Nasa. La comprensione di questi meccanismi ha importanti applicazioni pratiche, perché le enormi quantità di radiazioni intrappolate all’interno delle cinture possono rappresentare un rischio significativo per satelliti e veicoli spaziali, come pure per gli astronauti che svolgono attività all’esterno»

Gli elettroni ultra-relativistici nella fascia di radiazione esterna della Terra possono avere una variabilità pronunciata in risposta all’attività solare ed alle variazioni del vento solare, ma il meccanismo fisico dominante responsabile della cintura di radiazioni era rimasto irrisolta per decenni. Si riteneva che i due  principali responsabili  dio questa accelerazione fossero “l’inward radial diffusive transport” e la “local stochastic acceleration” di onde di plasma a frequenza molto bassa. Lo studio del team di Thorne  rivela che «Lo scattering delle intense onde radio a bassissima frequenza naturale conosciuto come “chorus” nell’atmosfera superiore della Terra è il principalmente responsabile del build-up  di elettroni relativistici osservato».

Thorne conclude che la dettagliata modellazione effettuata dal suo team, insieme alle precedenti osservazioni di picchi nella electron phase space density, pubblicate su Science da Geoff Reeves e dai suoi  colleghi del Los Alamos National Laboratory, «Dimostrano  la notevole efficienza dell’accelerazione naturale dell’onda in un ambiente vicino spazio della Terra e dimostrano che la diffusione radiale non è responsabile dell’accelerazione osservata durante questa tempesta».

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