Spiegato l’anello di elettroni ultra-relativistici intorno alla Terra

Molto tempo è passato da quando, nel 1958, la  sonda Explorer ha scoperto le Fasce di Van Allen. Da allora gli scienziati hanno tentato di spiegare la natura di queste fasce che circondano la Terra paragonandole a due grandi ciambelle di particelle molto cariche composte da elettroni ad alta energia (per l’anello esterno) e da elettroni ad alta energia e ioni positivi (per l’anello interno). 

A febbraio di quest’anno è stata pubblicata una ricerca sulla presenza di un terzo anello, fino a poco tempo prima sconosciuto, molto più ristretto e situato tra il primo e il secondo anello, con una vita di circa 1 mese. Dopo mesi di indagini, un gruppo di scienziati dell’Università della California, Los Angeles, ha finalmente reso pubblico un modello teorico in grado di spiegare con successo di che cosa si trattava. I risultati sono stati pubblicati in un articolo su Nature Physics il 22 settembre 2013. 

Comprendere la natura di queste fasce di radiazione, la loro struttura e genesi e le cause che ne determinano i rigonfiamenti e restringimenti nel tempo (radiazioni solari escluse) è parte integrante di uno studio più ampio concernente la natura stessa del clima e dello spazio che circonda il nostro pianeta. Il clima spaziale può, tra le altre cose, causare complicazioni nei sistemi elettronici di bordo dei satelliti da cui dipendono i nostri sistemi di comunicazione e le nostre future missioni nello spazio.

Rappresentazione artistica delle fasce di Van Allen. (Credit: NASA/Goddard Space Flight Center).

Un “nuovo” modello teorico? Gli scienziati hanno dimostrato che le particelle estremamente energetiche che compongono questo terzo anello, conosciute in gergo come elettroni ultra-relativistici, sono governati da una fisica differente da quella che spiega le fasce di Van Allen. Il motivo? La terza cintura si estende tra i 1.000 e i 50.000 km sopra la superficie terrestre ed è piena di elettroni che hanno una peculiarità: si muovono a velocità prossime a quella della luce. “Nel passato, gli scienziati avevano ritenuto che tutti gli elettroni intorno alla Terra si comportassero fisicamente allo stesso modo” ha spiegato Yuri Shprits, geofisico dell’UCLA. “Solo ora stiamo scoprendo che le cinture sono fatte di popolazioni differenti, guidate da processi fisici differenti, e per questo stiamo lavorando alla  la creazione di modelli globali che possono ricostruire ciò che sta accadendo a tutti i livelli”. 

Gli elettroni ultra-relativistici che compongono questo terzo anello non sono del tutto assenti negli altri due, ma sono i più pericolosi perché possono facilmente penetrare anche gli scudi più resistenti di cui i nostri sistemi di comunicazione sono dotati. “La loro velocità è prossima a quella della luce, e l’energia del loro moto è svariate volte più grande dell’energia contenuta nella loro massa quando sono a riposo” ha spiegato Dmitry Subottin, coautore della ricerca. “La distinzione tra il comportamento degli elettroni ultra-relativistici e quelli ad energia più basse è stata la chiave di questo nuovo studio”.

Le fasce/cinghie hanno una diversa composizione e obbediscono a “fisiche” diverse. Confrontando le simulazioni al computer valide per le fasce di Van Allen, Yuri Shprits ed il suo team hanno scoperto che i dati non erano coerenti con il comportamento di questi elettroni ultra-relativistici. In dettaglio, ciò che diverge radicalmente dai modelli è il modo in cui queste particelle possono essere accelerate. Il meccanismo dipende da un fascio di onde o, meglio, dal plasma che si è formato tra le fasce. Le onde di plasma prodotte dagli ioni che tipicamente non influenzano gli elettroni più energetici avevano iniziato a spingere via gli elettroni dell’anello esterno fino a quasi il margine interno. Solo un piccolo anello di elettroni ultra-relativistici era sopravvissuto a questa tempesta. Questi residui hanno dato vita al terzo anello.

Dopo la tempesta, si è espansa intorno alla Terra una bolla fredda di plasma. Gli scienziati ritengono che la sua funzione sia quella di proteggere le particelle nell’anello ristretto dall’impatto delle onde ioniche, permettendo all’anello di persistere per più tempo. Il team di ricercatori ha anche mostrato che le pulsazioni elettromagnetiche a frequenze molto basse che si pensa siano tipiche nell’accelerazione e rallentamento degli elettroni nelle singole cinture, non hanno avuto alcuna influenza su questi elettroni ultra-relativistici. Le fasce di Van Allen “non possono più essere considerate come una massa singola consistente di elettroni. Si comportano secondo la loro diversa energia e reagiscono in vari modi ai disturbi presenti nello spazio.” ha spiegato Yuri Shprits.

La teoria è in accordo con osservazioni precedenti. Un recente articolo pubblicato nella rivista Geophysical Review Letters il 28 Luglio 2013 ha fornito spiegazioni simili per la persistenza nel tempo del terzo anello. Richard Thorne, primo autore di questa ricerca, ha usato i dati provenienti dalla missione THEMIS della NASA per comprendere quanto tempo la sfera di plasma sarebbe restata in vita. “Maggiore è l’energia più lungo è il tempo di vita”, ha precisato Richard Thorne. “I nostri modelli mostrano che, se non succede nulla che perturba le fasce di radiazione, gli elettroni più energetici possono rimanere in vita per 100 giorni. Nel 2013 la tempesta di settembre ha spazzato via l’anello dopo circa un mese, le particelle nell’anello sarebbero decadute come avevamo previsto”. 

A differenza dello studio di Yuri Shprits, il precedente modello di Richard Thorne non spiega la natura dell’anello esterno, né i motivi per cui si sia impoverito di particelle in così poco tempo. Restano ancora numerose domande su ciascuna delle fasce: ” gli elettroni ultra-relativistici del terzo anello hanno così tanta energia che sono guidati da processi fisici molto diversi tra loro; integrare le informazioni che spiegano non solo l’osservazione dell’inusuale longevo anello centrale, ma renderle coerenti con un modello esplicativo globale significa aprire una nuova area di ricerca per le particelle ultra – relativistiche”, conclude Yuri Shprits.