Terra, scoperto schermo protettivo che ferma particelle ad alta energia

In alto, sopra l’atmosfera terrestre, gli elettroni sfrecciano quasi alla velocità della luce. I cosiddetti elettroni ultrarelativistici, che costituiscono la fascia esterna della cintura di radiazione di Van Allen, bombardano qualsiasi cosa sul loro cammino. L’esposizione a tali radiazioni ad alta energia può devastare l’elettronica satellitare e porre seri rischi per la salute per gli astronauti.

Ora i ricercatori del MIT e dell’Università del Colorado hanno scoperto che esiste un limite difficile da superare per questi elettroni ultrarelativistici, e questa volta non c’entra il campo magnetico terrestre. Il team ha scoperto questi elettroni non riescono a superare una barriera a circa 11.000 chilometri dalla superficie terrestre – nonostante la loro intensa energia.

Quello che tiene questa radiazione ad alta energia a bada sembra non essere né il campo magnetico terrestre, né le onde radio a lungo raggio, ma piuttosto un fenomeno chiamato “vento plasmasferico” – una radiazione dalla frequenza molto bassa delle onde elettromagnetiche nell’atmosfera superiore della Terra che, quando ascoltate attraverso un altoparlante, assomigliano al rumore statico (o rumore bianco).

Sulla base delle loro dati e calcoli, i ricercatori ritengono che il vento spaziale plasmasferico devia sostanzialmente gli elettroni in arrivo, facendoli collidere con gli atomi del gas neutri nell’atmosfera superiore della Terra, e infine scomparire. Questa naturale e  impenetrabile barriera sembra essere estremamente rigida, mantenendo gli elettroni ad alta energia ad una distanza di circa 2,8 raggi terrestri – circa 11 mila chilometri dalla superficie terrestre.

“E ‘un fenomeno molto particolare, straordinario, e estremamente intenso,” afferma John Foster, direttore associato dell’Osservatorio Haystack del MIT. “Ciò che questo ci dice è che un satellite o una stazione spaziale orbitante con esseri umani si trovano giusto all’interno di questa barriera impenetrabile, la loro aspettativa di vita – sia degli esseri umani che dell’elettronica di bordo – è notevolmente più lunga. Questa è una buona cosa da sapere”.

Foster e dei suoi colleghi, tra cui l’autore principale Daniel Baker dell’Università del Colorado, hanno pubblicato i loro risultati di questa settimana sulla rivista Nature.

I risultati del team si basano su dati raccolti dalle sonde di Van Allen della NASA – satelliti gemelli che orbitano nei ambienti duri delle fasce di Van Allen. Ogni sonda è progettata per resistere al bombardamento costante delle radiazioni per misurare il comportamento degli elettroni ad alta energia nello spazio.

I ricercatori hanno analizzato i primi 20 mesi di dati restituiti dalle sonde, e hanno osservato una barriera “estremamente marcata” contro gli elettroni ultrarelativistici. Questa barriera ha tenuto anche contro un forte aumento del vento solare nel mese di ottobre del 2013. Anche sotto tale pressione, la barriera ha continuato a impedire agli elettroni di penetrare oltre gli 11.000 chilometri dalla superficie terrestre.

Per determinare il fenomeno dietro la barriera, i ricercatori hanno considerato alcune possibilità, compresi gli effetti dal campo magnetico terrestre e le trasmissioni radio terrestri.

Nel primo caso, il team si è concentrato in particolare sulla Anomalia del Sud Atlantico – una caratteristica del campo magnetico terrestre, poco più a sud del Sud America, dove l’intensità del campo magnetico è di circa il 30 per cento più debole che in qualsiasi altra regione. Se gli elettroni in arrivo fossero influenzati dal campo magnetico della Terra, l’Anomalia del Sud Atlantico avrebbe agito come un “buco nel percorso del loro moto,” permettendo loro di cadere più in profondità nell’atmosfera terrestre. A giudicare dai dati delle sonde di Van Allen”, tuttavia, gli elettroni hanno mantenuto la loro distanza di 11 mila chilometri, anche al di là degli effetti del Anomalia del Sud Atlantico. Questo prova che il campo magnetico terrestre ha avuto poco effetto sulla barriera.

Foster ha considerato anche l’effetto delle trasmissioni radiofoniche VLF, che alcuni scienziati hanno proposto come possibile causa della perdita di energia degli elettroni. Anche se le trasmissioni VLF fuoriuscissero nell’atmosfera superiore, i ricercatori hanno scoperto che queste onde radio interesserebbero solo elettroni con i livelli di energia moderati, con poco o nessun effetto sulla elettroni ultrarelativistici.

Invece, il gruppo ha rilevato che la barriera naturale può essere dovuta ad un equilibrio tra il movimento verso terra degli elettroni e il vento plasmasferico. I ricercatori hanno scoperto che il vento plasmasferico agisce lentamente ruotando il percorso degli elettroni”, deviandoli parallelamente ad una linea di campo magnetico presente nell’atmosfera superiore della Terra.

Foster dice che questa è la prima volta i ricercatori sono stati in grado di caratterizzare le fasce di radiazione della Terra, e le forze che le tengono sotto controllo, in un modo così dettagliato. In passato, la NASA e l’esercito americano hanno lanciato rivelatori di particelle su satelliti per misurare gli effetti della cintura di radiazione: la NASA era interessata a conoscere quale fosse la migliore protezione contro tali radiazioni dannose; i militari avevano altre motivazioni.

“Nel 1960, l’esercito ha creato fasce di radiazione artificiale intorno alla Terra grazie alla detonazione di testate nucleari nello spazio”, spiega Foster. “Hanno monitorato le radiazioni risultanti, che erano enormi. E si è capito che, in ogni tipo di situazione di guerra nucleare, queste radiazioni avrebbero potuto neutralizzare i satelliti spia.”

I dati raccolti da questi sforzi non erano così precisi come i dati delle sonde di Van Allen, soprattutto perché i satelliti precedenti non erano stati progettati per volare in queste condizioni di alte radiazioni. Al contrario, le sonde di Van Allen hanno fornito i dati più dettagliati mai avuto sul comportamento e i limiti della fascia di radiazione della Terra.

“E ‘come guardare il fenomeno con occhi nuovi, con una nuova serie di strumenti, che ci danno i dettagli per poter dire :”Sì, esiste questa barriera insuperabile a 11 mila chilometri sulle nostre teste,” conclude Foster.