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Osservati e ricostruiti in 3D i tubi di plasma della magnetosfera terrestre

L'utilizzo creativo di un radiotelescopio, ha permesso ad un gruppo di astronomi di confermare la presenza di strutture tubulari di plasma negli strati interni della magnetosfera e costruire una simulazione in 3D.

"Da oltre 60 anni gli scienziati hanno ipotizzato l'esistenza di queste strutture ma non sono mai riusciti a vederle. Noi abbiamo fornito la prova concreta che ci sono veramente", ha detto Cleo Loi, studentessa dell'ARC Centre of Excellence for All-sky Astrophysics (CAASTRO) e della School of Physics presso l'Università di Sidney, in Australia.

"La loro scoperta è importante per le distorsioni indesiderate nei segnali, come ad esempio quelle che potrebbero colpire i nostri sistemi di navigazione satellitari civili e militari", ha spiegato Loi, autrice principale della ricerca recentemente pubblicata sulla rivista Geophysical Research Letters.

Real-time imaging of density ducts between the plasmasphere and ionosphere [abstract]

Ionization of the Earth's atmosphere by sunlight forms a complex, multilayered plasma environment within the Earth's magnetosphere, the innermost layers being the ionosphere and plasmasphere. The plasmasphere is believed to be embedded with cylindrical density structures (ducts) aligned along the Earth's magnetic field, but direct evidence for these remains scarce. Here we report the first direct wide-angle observation of an extensive array of field-aligned ducts bridging the upper ionosphere and inner plasmasphere, using a novel ground-based imaging technique. We establish their heights and motions by feature tracking and parallax analysis. The structures are strikingly organized, appearing as regularly spaced, alternating tubes of overdensities and underdensities strongly aligned with the Earth's magnetic field. These findings represent the first direct visual evidence for the existence of such structures.

La regione di spazio intorno alla Terra, occupata dal suo campo magnetico, è chiamata magnetosfera.
Lo strato più interno è la ionosfera, che si compone di un plasma in cui le molecole di gas hanno perso uno o più elettroni. Si estende dai 50 a 1.000 chilometri sopra la superficie terrestre (gli aerei di linea in genere volano a 10 chilometri di quota). Rifrange le onde radio ed influisce sulle comunicazioni di tutto il mondo. Sopra, c'è la plasmasfera, 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. Questi due strati contengono le strane strutture osservate.

"Abbiamo misurato la loro posizione e devono essere a circa 600 chilometri sopra la Terra nella ionosfera superiore e sembrano estendersi fino alla plasmafera, dove finisce l'atmosfera neutra ed inizia lo scambio di plasma con lo spazio esterno", ha spiegato Loi.

Utilizzando il Murchison Widefield Array (MWA), un radiotelescopio formato da 128 antenne su una superficie di circa tre chilometri quadrati nel deserto australiano, Loi ha mappato grandi porzioni di cielo sfruttando la funzionalità snapshot (istantanee) del MWA per creare un filmato e catturare efficacemente i reali moti temporali del plasma.

"Abbiamo osservato un modello sorprendente dove strisce di plasma ad alta densità si alternano con strisce di plasma a bassa densità. Questo modello scivola lentamente e perfettamente allineato con le linee del campo magnetico della Terra, come le aurore", ha spiegato la studentessa.

I risultati sono stati ottenuti grazie alla creativa intuizione di Loi per sfruttare al meglio le potenzialità del radiotelescopio: anziché far lavorare le antenne tutte insieme come se fossero un unico grande strumento, il segnale è stato separato tra est ed ovest, come i canali destro e sinistro di un'immagine stereoscopica, donando al MWA la visione in 3D.

"Siamo stati in grado di misurare la distanza tra un tubo di plasma e l'altro, la loro altezza dal suolo e la loro forte inclinazione. Questo non è mai stato possibile prima e la nuova tecnica è molto eccitante".

Tuttavia, come accade per molte scoperte, tutto è avvenuto per caso.
"Il fatto divertente è che l'obiettivo scientifico originario del mio progetto non era studiare i fenomeni atmosferici", ha raccontato Loi via mail ad Alive Universe Images. "Il mio obiettivo era studiare le radiosorgenti stellari, effettuando alcuni controlli iniziali su come la ionosfera potrebbe contribuire a generare errori nella misurazione della posizione e della luminosità delle stelle. Fu mentre analizzavo le distorsioni nei nostri dati che decisi, per eliminare gli errori, di tracciare la distribuzione dei vettori di distorsione. E' così che ho scoperto le strutture tubolari, in un modo completamente fortuito", ha spiegato. "E anche quando le avevo trovate, non avevo assolutamente idea di quello che stavo guardando dal momento in cui era oltre la mia conoscenza e quella degli altri accademici [del team], per lo più astronomi."

Distorsione causata dalla ionosfera: i punti luminosi sono galassie lontane che appaiono tremolanti a causa della distorsione.

Quando Loi mostrò le mappe di distorsione che stava generando ai colleghi, tutti rimasero sorpresi nel vedere enormi onde in movimento che correvano nelle immagini, come raggi irradiati da una sorgente fuori campo.

Rappresentazione originaria.

Per capire cosa fossero quelle strane strutture, Loi convertì il sistema di coordinate celesti nel sistema di riferimento terrestre e fu così che il team si rese conto che le bande sembravano quasi stazionare sopra la Terra.

"Ma solo dopo mesi di ricerca ci siamo imbattuti in una descrizione di strutture simili, chiamate 'whistler ducts'", letteralmente "condotti whistler", strutture cilindriche allineate ad un campo magnetico con un contenuto di elettroni all'interno superiore rispetto a quello dell'ambiente circostante. Si ritiene che siano responsabili di guidare la propagazione delle onde elettromagnetiche "whistlers", segnali naturali costituiti da onde elettromagnetiche a bassa frequenza, generate anche dai fulmini, nello stesso modo in cui le fibre ottiche guidano la luce.

I "whistler ducts" non erano mai stati osservati prima ma ogni loro proprietà era stata semplicemente dedotta, tranne una, ora nota grazie a questa ricerca, la loro altitudine.

Loi, che ringrazio moltissimo per la disponibilità, ha spiegato che le modalità fortuite con cui è avventa la scoperta non devono stupire più di tanto perché c'è una grande differenza tra la radioastronomia e scienze della Terra. La conoscenza dell'ambiente di plasma che circonda il nostro pianeta, infatti, è piuttosto limitata per un astronomo ed il team ha potuto comprende il valore di quei dati solo a seguito di un confronto con gli esperti del settore. Dall'altra parte, "anche chi si occupa di geoscienze raramente è consapevole delle potenzialità della radioastronomia". La speranza di Loi è che tutti traggano beneficio da questa esperienza e d'ora in avanti queste scienze riescano a lavorare in sinergia.

"La tecnica di visione stereoscopica", ha aggiunto Loi, "potrà, in generale, essere utilizzata per identificare ed osservare fenomeni vicini, distinguendo i segnali terrestri da quelli provenienti dal cosmo".
"Forse avete sentito parlare della recente scoperta di emissioni radio dai bolidi", scrive, riferendosi probabilmente agli impulsi a bassa frequenza emessi dalle meteore rilevati dal Long Wavelength Array del New Mexico (LWA) nel 2014. "Un'analisi stereoscopica permetterebbe ai radioastronomi di identificare immediatamente l'evento come un'esplosione atmosferica piuttosto che cosmica. Questo è importante perché ci sono una vasta gamma di fenomeni che potrebbe essere confusi".
"Un altro caso è quello delle interferenze dovute alle radiofrequenze dei satelliti orbitanti che sono un problema in radioastronomia (perché, di nuovo, contaminano il segnale). In questo caso, sarebbe possibile sviluppare un algoritmo che, utilizzando la visione stereoscopica per localizzare la sorgente di interferenza, la rimuova efficacemente".

Naturalmente, qualche diffidenza iniziale da parte dei colleghi era d'obbligo:
"Quando hanno visto i dati per la prima volta, molti collaboratori di alto livello hanno pensato che i risultati fossero letteralmente 'troppo belli per essere veri' e che il processo di osservazione avesse in qualche modo corrotto i dati. Ma nel corso dei mesi, Cleo è riuscita a convincerli che erano reali", ha raccontato il supervisore di Loi, il Dr. Tara Murphy, sempre del CAASTRO e della School of Physics dell'l'Università di Sidney.

A questo link è disponibile il video della simulazione.

Press release:
- http://sydney.edu.au/news/84.html?newscategoryid=9&newsstoryid=15052
http://theconversation.com/how-an-undergraduate-discovered-tubes-of-plasma-in-the-sky-42810

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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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