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Uno scudo deflettore nelle Fasce di Van Allen

Anche la Terra ha il suo scudo deflettore e come nella famosa serie Star Trek, lo usa per difendersi dal nemico.
Così è stata descritta l'invisibile barriera che protegge il nostro pianeta dai cosiddetti "elettroni killer", scoperta grazie ai dati rilevati dalle sonde della NASAVan Allen.

Anche la Terra ha il suo scudo deflettore e come nella famosa serie Star Trek, lo usa per difendersi dal nemico.
Così è stata descritta l'invisibile barriera che protegge il nostro pianeta dai cosiddetti "elettroni killer", scoperta grazie ai dati rilevati dalle sonde della NASAVan Allen.

Teorizzate ancor prima dell'inizio dell'era spaziale, le fasce di Van Allen furono confermate per la prima volta nel 1958 con le missioni Explorer 1 ed Explorer 3, sotto la supervisione del prof. James van Allen, da cui prendono il nome, e il suo team dell'Università di Iowa.

Sono enormi ciambelle di particelle cariche che circondano la Terra.
Si trovano tra la cosiddetta orbita geostazionaria (l'orbita dei satelliti per telecomunicazioni) e l’orbita bassa (l'orbita della Stazione Spaziale Internazionale, ISS).
Intrappolano e scambiano plasma con lo spazio esterno, senza che questo raggiunga la Terra e cambiano frequentemente dimensioni, diminuendo o crescendo in risposta all'energia in arrivo dal Sole. A volte, si gonfiano a tal punto da costituire un potenziale pericolo per le attività nella bassa orbita terrestre, altre volte possono quasi unirsi o triplicarsi.

Il 30 agosto 2012 la NASA ha lanciato le sonde Radiation Belt Storm (RBSP), successivamente ribattezzate Van Allen Probes, per onorare lo scienziato che ha contribuito a promuovere la ricerca in questo campo.

La missione fa parte del programma Living With a Star (LWS), concepito per esplorare i processi fondamentali che operano nel nostro Sistema Solare e in particolare, quelli che generano pericolosi effetti in prossimità della Terra, che potrebbero creare problematiche alle missioni spaziali, alle strumentazioni e agli astronauti stessi.

Ora, però possiamo stare un po' più tranquilli.
Un team di ricercatori, guidato dalla University of Colorado Boulder, ha scoperto una vera e propria barriera tra le fasce, in grado di bloccare gli elettroni altamente energetici che si muovono a velocità prossime a quella della luce, frustando il nostro pianeta a migliaia di chilometri sopra di noi.

"Questa barriera per gli elettroni ultra-veloce è una caratteristica notevole delle fasce", ha detto Dan Baker, Professore Illustre e Direttore del Laboratorio di CU-Boulder for Atmospheric and Space Physics (LASP), autore del documento.

"È come se gli elettroni finissero contro una parete di vetro, nel bel mezzo dello spazio", ha aggiunto.

I risultati sono stati pubblicato il 27 novembre sulla rivista Nature.

An impenetrable barrier to ultrarelativistic electrons in the Van Allen radiation belts [abstract]

Early observations indicated that the Earth’s Van Allen radiation belts could be separated into an inner zone dominated by high-energy protons and an outer zone dominated by high-energy electrons. Subsequent studies showed that electrons of moderate energy (less than about one megaelectronvolt) often populate both zones, with a deep ‘slot’ region largely devoid of particles between them. There is a region of dense cold plasma around the Earth known as the plasmasphere, the outer boundary of which is called the plasmapause. The two-belt radiation structure was explained as arising from strong electron interactions with plasmaspheric hiss just inside the plasmapause boundary, with the inner edge of the outer radiation zone corresponding to the minimum plasmapause location. Recent observations have revealed unexpected radiation belt morphology, especially at ultrarelativistic kinetic energies (more than five megaelectronvolts). Here we analyse an extended data set that reveals an exceedingly sharp inner boundary for the ultrarelativistic electrons. Additional, concurrently measured data reveal that this barrier to inward electron radial transport does not arise because of a physical boundary within the Earth’s intrinsic magnetic field, and that inward radial diffusion is unlikely to be inhibited by scattering by electromagnetic transmitter wave fields. Rather, we suggest that exceptionally slow natural inward radial diffusion combined with weak, but persistent, wave–particle pitch angle scattering deep inside the Earth’s plasmasphere can combine to create an almost impenetrable barrier through which the most energetic Van Allen belt electrons cannot migrate.

In generale, la cintura più interna si estende da circa 645 a circa 9.650 chilometri sopra la superficie terrestre e quella più esterna da circa 13.500 a circa 58.000 chilometri.

Quindi, tipicamente, le due cinture sono separate da uno spazio vuoto.
Ma cosa le tiene lontane? E perché in quel gap non ci sono elettroni?

I dati delle sonde Van Allen mostrano che il bordo interno dell'anello più esterno è molto più pronunciato e costituisce un confine netto per gli elettroni più veloci ad altissima energia.

"Se guardiamo gli elettroni molto energetici, scopriamo che questi possono arrivare solo entro una certa distanza dalla Terra", ha detto Shri Kanekal, vice scienziato per le sonde Van Allen della NASA al Goddard Space Flight Center di Greenbelt, nel Maryland e un co-autore del documento. "Questo è completamente nuovo e certamente non ce lo aspettavamo".

Tra le possibili cause analizzate alla base dello scudo, ci sono anche le trasmissioni radio emesse dalla superficie della Terra. Altre ipotesi riguardano, invece, la forma dl campo magnetico terrestre. Ma tutte sono state scartate.

Fasce di van Allen e Plasmasfera - Credit: NASA/Goddard/Scientific Visualization StudioLe fasce di Van Allen non sono le uniche strutture di particelle che circondano la Terra.
C'è un'altra nube di particelle cariche, chiamata plasmasfera, che riempie la regione più esterna dell'atmosfera terrestre. E' una gigantesca nube di gas freddo e carico elettricamente che inizia a circa 965 chilometri ed arriva in parte alla fascia di Van Allen più esterna.

Le sue particelle potrebbero causare una dispersione di quelle presenti nelle cinture.

L'effetto, tuttavia, sarebbe debole e non sufficiente a mantenere gli elettroni al loro posto.
I dati delle sonde della NASA, però, dimostrano che gli elettroni nelle fasce, pur muovendosi molto velocemente, non sono quasi diretti verso la Terra. Gli elettroni più energetici presentano al massimo una dolce deriva che si verifica nel corso di mesi: un movimento così lento e debole che può essere respinto dalla plasmasfera.

Questo scenario aiuterebbe anche a spiegare perché in condizioni estreme, quando il nostro Sole da veramente spettacolo, con una gigantesca eruzione solare o una potente espulsione di massa coronale, gli elettroni della cintura esterna riescono a spingersi nella regione tra le due fasce che rimane solitamente vuota.
D'altra parte, un massiccio afflusso di energia proveniente dal Sole può erodere la plasmasfera, spostandone i confini verso l'interno e con essi, il nostro scudo deflettore.

Riferimenti:
http://www.nasa.gov/content/goddard/van-allen-probes-spot-impenetrable-barrier-in-space/index.html#.VHanZ9LF_YE
http://phys.org/news/2014-11-star-trek-like-invisible-shield-thousands.html

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Elisabetta Bonora

Sono una image processor e science blogger appassionata di astronomia, spazio, fisica e tecnologia, affascinata fin da bambina dal passato e dal futuro.
Dal 2009 elaboro le immagini raw delle missioni spaziali insieme a Marco Faccin ed ho creato questo blog ad agosto 2012, in occasione dello sbarco del rover Curiosity su Marte.
Per lavoro mi occupo di digital advertising, web e video analytics presso Shiny (SV – Italia) ma passo la maggior parte del tempo libero su questo sito e tra i cataloghi delle foto scattate dalle sonde e dai rover inviati nel nostro Sistema Solare "per esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita, per arrivare là dove nessuno è mai giunto prima!" ...Ovviamente, è chiaro, sono una fan di Star Trek!

Sito web: https://twitter.com/EliBonora
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