Fasce di van Allen

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Le fasce di van Allen

La fascia di van Allen è un toro di particelle cariche (plasma) trattenute dal campo magnetico terrestre per effetto della forza di Lorentz. Tali particelle cariche "urtando" tra di loro, perdono energia cinetica che viene compensata da emissione di radiazione che raggiunge i 30KeV. Quando la fascia è eccitata, alcune particelle colpiscono l'alta atmosfera e danno luogo a una fluorescenza nota come aurora polare. La presenza della fascia di van Allen era già stata teorizzata prima dell'era spaziale, ad esempio da Enrico Medi, ma ottenne una conferma sperimentale solo con il lancio delle missioni Explorer 1 (31 gennaio 1958) ed Explorer 3, sotto la supervisione del prof. James van Allen. I primi studi sistematici della fascia di radiazioni furono eseguiti grazie alle sonde Explorer 4 e Pioneer 3 [1].

Dal punto di vista qualitativo, è utile notare come la fascia di van Allen consista in realtà di due fasce che circondano il nostro pianeta, una interna ed una più esterna. La più interna è molto stabile ed è costituita da un plasma di elettroni e di ioni positivi ad alta energia, mentre la più esterna è costituita da soli elettroni ad alta energia ed è caratterizzata da un comportamento molto più dinamico, in particolare in risposta alle tempeste solari.

A conferma della dinamicità della fascia esterna, nel 2012 le sonde gemelle della NASA, Radiation Belt Storm Probes (RBPS) hanno rilevato una transitoria terza fascia, più esterna, in una fase di compressione verso l'interno delle prime due[2][3].

Sebbene il termine fasce di van Allen si riferisca esplicitamente alle cinture che circondano la Terra, simili strutture sono state osservate attorno ad altri pianeti per effetto dei rispettivi campi magnetici planetari. Il Sole, al contrario, pur avendo un campo magnetico proprio non possiede fasce di radiazioni durevoli nel tempo.

L'atmosfera terrestre limita inferiormente l'estensione delle fasce ad un'altitudine di 200-1000 km; il loro confine superiore non arriva oltre i 40.000 km (che corrispondono a circa 7 raggi terrestri) di distanza dalla superficie della Terra. Le fasce si trovano in un'area che si estende per circa 65 gradi a Nord e a Sud dell'equatore celeste.

La fascia interna[modifica | modifica sorgente]

La fascia di van Allen interna, scoperta dai satelliti Explorer I e Explorer III, si estende tipicamente tra i 1000 km e i 6000 km di altezza sulla superficie terrestre [4]. In particolari situazioni di attività solare intensa o in zone particolari, come la Anomalia Sud Atlantica (South Atlantic Anomaly SAA) il confine interno può trovarsi anche a solo circa 200 km dalla superficie terrestre.

La fascia interna contiene concentrazioni di elettroni abbastanza alte, con energie dell'ordine dei centinaia di keV e protoni energetici che superano i 100 MeV, intrappolati dal campo magnetico locale che è relativamente alto, rispetto alla fascia esterna.

Si ritiene che i protoni nella fascia interna alle quote più basse con energia superiore ai 50 MeV siano il risultato del decadimento beta dei neutroni dovuto alle collisioni con i raggi cosmici con i nuclei nell'alta atmosfera. I protoni con energia più basse sono invece originati dalla diffusione di protoni in seguito a cambi del campo magnetico durante le tempeste geomagnetiche.

La fascia esterna[modifica | modifica sorgente]

Rappresentazione della fascia di van Allen e delle linee di forza che la percorrono

La fascia di van Allen esterna si estende ad un'altitudine di circa 10.000–65.000 km ed è particolarmente intensa tra i 14.500 km e i 19.000 km. Si ritiene che essa consista di plasma intrappolato dalla magnetosfera della Terra. Il satellite sovietico Luna 1 ha registrato la presenza di pochissime particelle altamente cariche all'interno di questa fascia. Qui gli elettroni mostrano un flusso particolarmente intenso, e quelli con un'energia cinetica E > 40 keV possono disperdersi nello spazio interplanetario. Questa continua perdita di particelle cariche è un effetto del vento solare.

La fascia esterna contiene diversi tipi di particelle, fra cui elettroni e numerosi ioni. La maggior parte degli ioni compare sotto forma di protoni energetici, ma vi è anche una certa percentuale di particelle alfa e di ioni di ossigeno O+, simili a quelli presenti nell'atmosfera ma assai più energetici. La presenza di diverse categorie di particelle suggerisce che la fascia sia generata dalla concomitanza di diversi fenomeni.

Rispetto alla fascia interna, quella esterna è più estesa ed è circondata da una regione a bassa intensità nota come ring current. Essa contiene inoltre una maggiore varietà di particelle ed è caratterizzata da un livello di energia minore (meno di 1 MeV), che aumenta significativamente solo quando una tempesta magnetica provoca la risalita di nuove particelle dalla magnetosfera.

Il merito della scoperta della fascia esterna è conteso fra gli Stati Uniti (con l'Explorer 4) e l'Unione Sovietica (con gli Sputnik II/III).

La fascia di van Allen e il volo spaziale[modifica | modifica sorgente]

I pannelli fotovoltaici, i circuiti integrati e i sensori possono rimanere danneggiati da intensi livelli di radiazione. Nel 1962 un'esplosione nucleare ad alta quota (la cosiddetta prova Starfish Prime) provocò un temporaneo aumento di energia nella regione, causando malfunzionamenti in numerosi satelliti. Per tale motivo il posizionamento dell'orbita di un satellite artificiale tenta il più possibile di evitare la presenza delle fasce di Van Allen. Può anche accadere che le componenti elettroniche delle sonde risultino danneggiate da forti tempeste magnetiche. La miniaturizzazione e la digitalizzazione dei circuiti logici ed elettronici hanno reso i satelliti più vulnerabili all'influsso delle radiazioni, giacché la carica degli ioni impattanti può essere addirittura maggiore di quella contenuta nel circuito. Oggigiorno i sistemi elettronici dei satelliti vengono resi più resistenti alle radiazioni per durare più a lungo. I sensori del telescopio spaziale Hubble, ad esempio, vengono sovente spenti quando l'apparecchio attraversa regioni di radiazione intensa come l'Anomalia del Sud Atlantico. Anche la stazione orbitale ISS, nel corso delle sue orbite passa talvolta attraverso la fascia interna.

Le origini della fascia[modifica | modifica sorgente]

Si ritiene comunemente che le fasce di van Allen siano il risultato della collisione del vento solare con il campo magnetico terrestre. Le particelle cariche del vento solare, infatti, entrando nel campo magnetico terrestre vengono deviate per effetto della forza di Lorentz. Le particelle elettrocariche vengono quindi respinte dalle regioni dove il campo magnetico è più intenso, ovvero quelle polari, e continuano a oscillare, in direzione nord-sud nelle zone tropicali ed equatoriali, spiraleggiando intorno alle linee di forza del campo magnetico

La separazione fra la fascia interna e quella esterna è causata dalla presenza di onde radio a bassa frequenza che respingono le eventuali particelle che potrebbero venirsi a trovare in tale regione. Tempeste magnetiche particolarmente intense possono spingere delle particelle cariche in questa zona, ma entro pochi giorni l'equilibrio viene ristabilito. Si pensava inizialmente che queste onde radio fossero generate da turbolenze presenti nelle fasce stesse, ma un recente studio ad opera di James Green, del Goddard Space Flight Center della NASA, ha evidenziato un legame con le misurazioni dell'intensità e della distribuzione dei fulmini effettuate dal satellite Micro Lab 1.

In passato l'Unione Sovietica accusò gli Stati Uniti di aver dato origine alla fascia di van Allen interna a seguito di test nucleari effettuati nel Nevada; allo stesso modo, l'URSS stessa è stata accusata dagli statunitensi di aver generato la fascia esterna. Non è chiaro come gli effetti degli esperimenti nucleari avrebbero potuto superare l'atmosfera e raggiungere l'altitudine che caratterizza le fasce di radiazioni; certamente non è stata osservata alcuna diminuzione apprezzabile della loro intensità da quando i test nucleari nell'atmosfera sono stati banditi per trattato.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ http://www.ice.csic.es/personal/ferri/LASTRONOMIA/fasce_van_allen.pdf
  2. ^ http://www.lescienze.it/news/2013/09/24/news/terza_fascia_van_allen_fisica-1818811/
  3. ^ http://www.lescienze.it/news/2013/03/01/news/struttura_variabile_fasce_van_allen-1534536/
  4. ^ Ganushkina, N. Yu; Dandouras, I.; Shprits, Y. Y.; Cao, J., Locations of boundaries of outer and inner radiation belts as observed by Cluster and Double Star in Journal of Geophysical Research, vol. 116, Washington, D.C., American Geophysical Union, 2011, pp. 1–18, Bibcode:2011JGRA..116.9234G, DOI:10.1029/2010JA016376.

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