Come tutti i pianeti con un campo magnetico, la Terra ha uno scudo protettivo contro il vento solare, il flusso di particelle cariche rilasciato in modo continuo dal sole. Questa bolla, chiamata magnetosfera, è forgiata dall’interazione tra il vento solare e il campo magnetico del nostro pianeta, ed è composto da plasma, uno stato della materia che si compone di particelle cariche e ioni piuttosto che atomi o molecole. L’effetto di schermatura, tuttavia, non è completo: le particelle del vento solare sono in grado, a determinate condizioni, di penetrare nella magnetosfera, dove possono essere successivamente accelerate, dando luogo al fenomeno delle aurore. I meccanismi di entrata non sono pienamente compresi. In generale, l’interazione reciproca tra le varie regioni che compongono la magnetosfera, popolata da plasma con densità ed energie molto diverse, rimane una questione aperta ed è oggetto di ampie indagini. La comprensione di questi processi è di grande importanza nel contesto della meteorologia spaziale, che è cruciale per il funzionamento delle missioni spaziali e per le reti di telecomunicazioni.
La Magnetosfera terrestre fornisce agli scienziati un gigantesco banco di prova per studiare il comportamento del plasma su scale diverse da quelle che possono essere affrontate in laboratorio. In quest’area, le interazioni non sono un problema banale. La densità e l’energia delle particelle sono tali che le collisioni individuali sono straordinariamente rare. Pertanto, lo scambio di materia ed energia tra regioni di plasma diverse, così come l’accelerazione di particelle, deve avvenire tramite meccanismi diversi dalle collisioni. In effetti, il plasma ha una caratteristica molto interessante che la distingue da un gas comune: pur rimanendo neutrale nel suo complesso, le differenze locali possono svilupparsi nella distribuzione delle sue cariche positive e negative. Queste disomogeneità dà luogo a campi elettrici e magnetici e, a sua volta, le oscillazioni di tali campi producono onde. Considerando che le particelle nel plasma collisionale quasi mai incidono l’un l’altro, esse interagiscono con queste onde tramite la forza elettromagnetica e possono guadagnare o perdere energia nel processo. In particolare, la teoria suggerisce che gli elettroni, che dominano la dinamica del plasma su scale piccole, sono fortemente influenzati da un particolare tipo di onde chiamato onde ibride di deriva. Mentre queste onde sono ben comprese da un punto di vista teorico, non è stato possibile finora caratterizzarle sperimentalmente, né sondare la loro interazione con gli elettroni. Un nuovo studio sulla base dei dati della missione Cluster dell’ESA ha messo in luce il soggetto, misurando la loro lunghezza d’onda e la velocità nella magnetosfera.
Gli scienziati hanno esaminato i dati raccolti mentre i satelliti volavano attraverso la coda magnetica, che si estende per oltre 650 milioni di km, arrivando addirittura ad intersecare l’orbita di Saturno. La coda magnetica comprende i lobi, due strati di plasma caratterizzati da densità molto bassa e forti campi magnetici, e uno strato più denso: il foglio di plasma – dove il campo magnetico è più debole rispetto ai lobi. Il foglio di plasma è separato dai lobi da un limite molto sottile. Il team di scienziati ha sfruttato un passaggio molto favorevole attraverso questa regione. Analizzando i dati, il team è riuscito a rilevare tali onde, misurando la loro lunghezza d’onda, che è dell’ordine di 60 chilometri, e la velocità di propagazione, che è di circa 1000 chilometri al secondo. La velocità delle onde è dello stesso ordine della velocità tipica delli ioni nel plasma magnetosferico, come predetto dalla teoria. “Inoltre, il potenziale elettrostatico associato con le onde corrisponde a circa il 10 per cento dell’energia dell’elettrone, suggerendo che queste onde possono avere energia sufficiente per avere un forte impatto sulla dinamica degli elettroni e sulla loro accelerazione. Lo studio di Cecilia Norgren, del Swedish Institute of Space Physics, dimostra che gli elettroni interagiscono con minori onde ibride di deriva e che ciò rappresenta un meccanismo efficiente per trasferire l’energia tra i diversi strati di plasma. I futuri studi indagheranno su questo processo in modo più dettagliato, cercando di capire il ruolo svolto da queste onde nel contesto della riconnessione magnetica. Finora gli scienziati avevano raggiunto una comprensione piuttosto buona del plasma della magnetosfera su scale molto grandi, dove può essere descritto in termini macroscopici, e su quelli intermedi, dominato da ioni, ma in termini di piccole scale era ancora tutto molto vago. Con questo risultato è stato possibile un passo cruciale verso la realizzazione di un quadro sempre più dettagliato dell’ambiente magnetico del nostro pianeta.
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