RISOLTO IL MISTERO DELLE ONDE DI PLASMA

Strisce zebrate nello spazio terrestre

Svelato dalla missione Cluster dell’ESA un enigma che ha tenuto col fiato sospeso gli scienziati per quasi mezzo secolo. I dati raccolti da due satelliti hanno permesso di rivelare per la prima volta il meccanismo fisico che sta alla base del “rumore” dovuto alla produzione di onde di plasma in prossimità dello spazio terrestre. I risultati su Nature

Grazie a un lavoro condotto da un gruppo di ricercatori guidati da Yuri Shprits, geofisico dell’University of California a Los Angeles (UCLA), il mistero delle onde di plasma prodotte in prossimità dello spazio terrestre sembra essere stato risolto dopo quasi mezzo secolo di ricerche. I risultati, riportati su Nature Communications, rappresentano un passo in avanti per comprendere ancora meglio a quali rischi possono essere soggette le missioni satellitari anche in termini della presenza dell’uomo nello spazio.

Negli anni ’60, la NASA lanciò in orbita ben 6 satelliti per studiare l’atmosfera terrestre, la magnetosfera e lo spazio tra la Terra e la Luna. Grazie ai dati ricavati da quelle osservazioni, Christopher Russell, all’epoca uno studente della University of California a Los Angeles (UCLA), rivelò delle misteriose onde di plasma nelle fasce di Van Allen, quella struttura a forma di toro in cui sono presenti particelle cariche di alta energia intrappolate dal campo magnetico terrestre.

Illustrazione (non in scala) dei quattro satelliti Cluster mentre attraversano la fascia di radiazione più esterna, in prossimità dell’equatore geomagnetico, dove il 6 Luglio 2013, tra le 18:40 e le 18:55 GMT, Cluster osservò le onde di plasma note come rumore equatoriale. L’inserto mostra le osservazioni eseguite dagli strumenti STAFF (Spatio-Temporal Analysis of Field Fluctuations) rivelati da Cluster 3 (pannello superiore) e Cluster 4 (pannello inferiore). La struttura a strisce delle onde ha una forma periodica, il che fornisce delle evidenze osservative sulla loro formazione. Crediti: ESA/ATG Medialab

Denominate successivamente con il termine “rumore equatoriale” o “rumore di Russell”, in onore al loro scopritore, le onde di plasma sono tra le cause più frequenti di tutta una serie di emissioni di radiazione in prossimità dello spazio terrestre. Tuttavia, fino ad oggi gli scienziati non sono stati in grado di spiegare come esse vengono stimolate. Ora, però, è stata scoperta la struttura di queste onde di plasma quando esse si trovano molto vicine all’equatore. Infatti, le misure realizzate con due satelliti del sistema Cluster dell’ESA hanno permesso di rivelare ben 13 righe egualmente spaziate e una serie di spettrogrammi d’onda estremamente strutturati che ricordano le strisce di un passaggio pedonale.

“È davvero notevole come la natura abbia potuto produrre queste strisce periodiche, molto strette e chiare” spiega Shprits, che è l’autore principale dello studio assieme al collega Michael Balikhin dell’University of Sheffield. Il sistema di satelliti Cluster ha osservato la distribuzione ad anello dei protoni che fornisce l’energia alle onde di plasma. I modelli basati su queste osservazioni, che sono stati costruiti da Lunjin Chen della University of Texas a Dallas, hanno fornito un’ulteriore evidenza del fatto che le onde vengono stimolate dalle cosiddette “distribuzioni protoniche ad anello”.

La struttura a bande in falsi colori delle onde di plasma rivelata dallo strumento STAFF dai satelliti Cluster 3 (a) and Cluster 4 (b). I dati rivelano chiaramente la struttura armonica del rumore equatoriale: le righe spettrali mostrano multipli delle frequenze del moto circolare dei protoni in presenza di un campo magnetico uniforme (girofrequenza protonica). La struttura molto organizzata e periodica suggerisce che le onde sono state generate dai protoni. Crediti: Balikhin and Shprits, et al. 2015

In particolare, i ricercatori si sono interessati al rumore equatoriale poiché è in grado di accelerare le particelle nelle fasce di Van Allen fino ad alte energie causandone anche la loro sparizione nell’atmosfera. Questo fenomeno può avere delle implicazioni importanti per le condizioni meteo dello spazio e può giocare un ruolo fondamentale nel processo di accelerazione e diffusione degli elettroni e ioni da parte di queste onde. Di fatto, tutto ciò può avere come conseguenza tutta una serie di problematiche che vanno dalla presenza di piccole anomalie al guasto totale dei satelliti. “Avere una migliore comprensione dei meccanismi fisici che sono responsabili della radiazione spaziale potrà essere utile per proteggere al meglio gli astronauti e il loro equipaggiamento”, dice Shprits. “Forse, un simile meccanismo potrebbe aver luogo anche nella magnetosfera di altri esopianeti”.

Lo stesso Russell, che è anche l’investigatore principale della missione Dawn della NASA, è rimasto sorpreso dei risultati: “È interessante il fatto che con il lavoro di Yuri, quasi 50 anni dopo, gli scienziati stanno finalmente realizzando quelle misure per spiegare le osservazioni sorprendenti del 1966, riportate nella mia tesi nel 1968. Queste onde di plasma furono un vero rompicapo ma ora hanno più senso”.


Nature Communications: Michael A. Balikhin, Yuri Y. Shprits et al. 2015 – Observations of discrete harmonics emerging from equatorial noise