Fasce di Van Allen

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In viola, una sezione della fascia di Van Allen.

Lafascia di Van Allenè una zonatoroidaleall'interno dellamagnetosferaterrestre, in cui si accumulano particellecariche(plasma) che in genere derivano dalvento solare.La fascia si forma poiché queste particelle vengono trattenute dalcampo magnetico terrestreper effetto dellaforza di Lorentz.Quando queste particelle si urtano tra loro, perdonoenergia cineticasotto forma diradiazioneche raggiunge i 30 keV.

Scoperta

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Le fasce prendono il nome daJames Van Allen,[1]a cui è attribuita la loro scoperta nel 1958.[2]La loro presenza però, era già stata teorizzata prima dell'era spaziale,daEnrico Medi,Kristian Birkeland,Carl StørmereNicholas Christofilos,[3]che ottennero la conferma sperimentale solo con il lancio delle missioniExplorer 1edExplorer 3sotto la supervisione diJames Van Allennel 1958. I primi studi sistematici della fascia furono eseguiti grazie alle sondeExplorer 4ePioneer 3.[4]

Struttura

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Dal punto di vista strutturale, la fascia di Van Allen consiste in realtà di due fasce che circondano il nostro pianeta, una interna e una esterna. Quella interna è molto stabile ed è costituita da plasma di elettroni e di ioni positivi ad alta energia, mentre quella esterna è costituita da soli elettroni ad alta energia ed è caratterizzata da un comportamento molto più dinamico, in particolare in risposta alletempeste solari.

A conferma della dinamicità della fascia esterna nel 2012, le sonde gemelle della NASARadiation Belt Storm Probes (RBPS)hanno rilevato una transitoria terza fascia più esterna in una fase di compressione verso l'interno delle prime due[5][6].

Sebbene il terminefasce di Van Allensi riferisca esplicitamente alle cinture che circondano laTerra,simili strutture sono state osservate attorno ad altripianetiper effetto dei rispettivi campi magnetici planetari. Al contrario ilSole,pur avendo un campo magnetico proprio, non possiede fasce di radiazioni durevoli nel tempo perché è privo di uno stabile campo didipolo magneticoglobale.

L'atmosfera terrestrelimita inferiormente l'estensione delle fasce a un'altitudinedi 200–1000 km;[7]il loro confine superiore non arriva oltre 40.000 km, che corrispondono a circa 8raggi terrestri,di distanza dallasuperficie terrestre.[7]Le fasce si trovano in un'area che si estende per circa 65 gradi a Nord e a Sud dell'equatore celeste.[7]Quando particelle cariche di origine solare (vento solare) colpiscono l'alta atmosferain corrispondenza delle altelatitudinilungo lelinee di forzadel campo magnetico terrestre, queste interagiscono con la sottostanteionosferadando luogo a unafluorescenzanota comeaurora polare.

Fascia interna

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La fascia di Van Allen interna, scoperta dai satelliti Explorer I e Explorer III, si estende tipicamente tra 1000 km e 12000 km di altezza sullasuperficie terrestre.[8][9]In particolari situazioni di attività solare intensa o in zone particolari, come l'Anomalia del Sud Atlantico(South Atlantic Anomaly SAA), il confine interno può trovarsi anche a solo circa 200 km dalla superficie terrestre.[10]

La fascia interna contiene concentrazioni abbastanza alte di elettroni con energie dell'ordine di centinaia di keV, e protoni energetici che superano i 100 MeV, intrappolati dal campo magnetico locale che è relativamente alto rispetto alla fascia esterna.[11]

Si ritiene che i protoni nella fascia interna alle quote più basse con energia superiore ai 50 MeV siano il risultato deldecadimento betadeineutroniin seguito alle collisioni deiraggi cosmicicon i nuclei nell'alta atmosfera.I protoni con energia più bassa sono invece originati dalla diffusione di protoni in seguito a cambi del campo magnetico durante letempeste geomagnetiche.[12]

A causa del leggero disallineamento della fascia rispetto al centro geometrico della Terra, la fascia interna ha il suo punto più vicino alla superficie terrestre in corrispondenza dell'Anomalia del Sud Atlantico.[13][14]

Fascia esterna

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

La fascia di Van Allen esterna ha una formatoroidale;si estende a un'altitudine di circa 13.000–65.000 km (tra 3 10 raggi terrestri,RE) ed è particolarmente intensa tra 14.500 km e 19.000 km (da 4 a 5RE). Si ritiene che essa consista diplasmaintrappolato dallamagnetosferadella Terra. Il satellitesovieticoLuna 1ha registrato la presenza di pochissime particelle altamente cariche all'interno di questa fascia. Qui gli elettroni mostrano unflussoparticolarmente intenso e quelli con un'energia cineticaE> 40 keV possono disperdersi nello spazio interplanetario. Questa continua perdita di particelle cariche è un effetto delvento solare.

La fascia di radiazione elettronica è dovuta principalmente ad una diffusione radiale con direzione verso l'interno,[15][16]oltre ad un'accelerazione locale[17]collegata al trasferimento di energia tra onde di plasma in modalitàwhistlerverso la fascia degli elettroni. Questi ultimi vengono continuamente rimossi in seguito a collisioni con l'atmosfera terrestre,[17]perdite nellamagnetopausae diffusione verso l'esterno.

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 e vi è anche una certa percentuale diparticelle alfae di ioni diossigenoO+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, è circondata da una regione a bassa intensità nota comering current,contiene una maggiore varietà di particelle ed è caratterizzata da un livello di energia minore (meno di 1 MeV), che aumenta significativamente solo quando unatempesta magneticaprovoca la risalita di nuove particelle dalla magnetosfera.

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

Origini

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Illustrazione esplicativa del flusso elettronico nella polarità terrestre, l'immagine mostra volutamente una Terra più appiattita per rendere più comprensibile il concetto

Si ritiene comunemente che le fasce di Van Allen siano il risultato della collisione delvento solarecon ilcampo magnetico terrestre.Infatti le particelle cariche del vento solare entrando nel campo magnetico terrestre vengono deviate per effetto dellaforza 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 questa 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 diJames L. Green,delGoddard Space Flight CenterdellaNASA,ha evidenziato un legame con le misure dell'intensità e della distribuzione deifulminieffettuate dal satelliteMicro Lab 1.

In passato l'Unione Sovieticaaccusò gliStati Unitidi aver dato origine alla fascia di van Allen interna a seguito di test nucleari effettuati nelNevada;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.

Influenze sul volo spaziale

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Ipannelli fotovoltaici,icircuiti integratie isensoripossono rimanere danneggiati da intensi livelli diradiazione.Nel 1962 un'esplosione nuclearead alta quota, la cosiddetta provaStarfish Prime,provocò un temporaneo aumento di energia nella regione, causando malfunzionamenti in numerosisatelliti.Per questo motivo, quando si progetta l'orbita di un satellite artificiale, si tenta il più possibile di evitare di fargli attraversare le fasce di Van Allen. Può anche accadere che le componenti elettroniche delle sonde risultino danneggiate da fortitempeste magnetiche.La miniaturizzazione e la digitalizzazione dei circuiti logici ed elettronici hanno reso i satelliti più vulnerabili all'influsso delle radiazioni poiché la carica degli ioni impattanti può essere addirittura maggiore di quella contenuta nel circuito. Attualmente i sistemi elettronici dei satelliti vengono resi più resistenti alle radiazioni per durare più a lungo. Per esempio i sensori deltelescopio spaziale Hubblevengono sovente spenti quando l'apparecchio attraversa regioni di radiazione intensa, come l'Anomalia del Sud Atlantico.

Note

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  1. ^'Doughnuts' of radiation ring earth in space,inVictoria Advocate,(Texas), Associated Press, 28 dicembre 1958, p. 1A.
  2. ^The Victoria Advocate - Ricerca Archivio di Google News,sunews.google.com.URL consultato il 2 ottobre 2021.
  3. ^David P. Stern e Mauricio Peredo,Trapped Radiation—History,suThe Exploration of the Earth's Magnetosphere,NASA/GSFC.URL consultato il 28 aprile 2009.
  4. ^Le fasce di Van Allen
  5. ^La fisica della terza fascia di Van Allen - Le Scienze
  6. ^L'inaspettata struttura variabile delle fasce di Van Allen - Le Scienze
  7. ^abcMartin Walt,Introduction to Geomagnetically Trapped Radiation,Cambridge; New York,Cambridge University Press,2005,ISBN978-0-521-61611-9,LCCN2006272610,OCLC63270281.
  8. ^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,inJournal of Geophysical Research,vol. 116, Washington, D.C., American Geophysical Union, 2011, pp. 1–18,Bibcode:2011JGRA..116.9234G,DOI:10.1029/2010JA016376.
  9. ^Van Allen Radiation Belts,inHowStuffWorks,Silver Spring, MD,Discovery Communications, Inc.,23 aprile 2009.URL consultato il 5 giugno 2011.
  10. ^Space Environment Standard ECSS-E-ST-10-04C(PDF), suspacewx.com,ESA Requirements and Standards Division, 15 novembre 2008.URL consultato il 27 settembre 2013(archiviato dall'url originaleil 9 dicembre 2013).
  11. ^Gusev, A. A., Pugacheva, G. I., Jayanthi, U. B. e Schuch, N.,Modeling of Low-altitude Quasi-trapped Proton Fluxes at the Equatorial Inner Magnetosphere,inBrazilian Journal of Physics,vol. 33, n. 4, 2003, pp. 775–781,Bibcode:2003BrJPh..33..775G,DOI:10.1590/S0103-97332003000400029.
  12. ^Thomas F. Tascione,Introduction to the Space Environment,2nd, Malabar, FL, Krieger Publishing Co., 2004,ISBN978-0-89464-044-5,LCCN93036569,OCLC28926928.
  13. ^The Van Allen Belts,suimage.gsfc.nasa.gov,NASA/GSFC.URL consultato il 25 maggio 2011(archiviato dall'url originaleil 20 dicembre 2019).
  14. ^Underwood, C., Brock, D., Williams, P., Kim, S., Dilão, R., Ribeiro Santos, P., Brito, M., Dyer, C. e Sims, A.,Radiation Environment Measurements with the Cosmic Ray Experiments On-Board the KITSAT-1 and PoSAT-1 Micro-Satellites,inIEEE Transactions on Nuclear Science,vol. 41, n. 6, dicembre 1994, pp. 2353–2360,Bibcode:1994ITNS...41.2353U,DOI:10.1109/23.340587.
  15. ^S. R. Elkington,M. K. Hudsone A. A. Chan,Enhanced Radial Diffusion of Outer Zone Electrons in an Asymmetric Geomagnetic Field,inSpring Meeting 2001,Washington, D.C.,American Geophysical Union,maggio 2001,Bibcode:2001AGUSM..SM32C04E.
  16. ^Y. Y. Shprits e R. M. Thorne,Time dependent radial diffusion modeling of relativistic electrons with realistic loss rates,inGeophysical Research Letters,vol. 31, n. 8, 2004, pp. L08805,Bibcode:2004GeoRL..31.8805S,DOI:10.1029/2004GL019591.
  17. ^abRichard B. Horne, Richard M. Thorne e Yuri Y. Shprits,Wave acceleration of electrons in the Van Allen radiation belts,inNature,vol. 437, n. 7056, 2005, pp. 227–230,Bibcode:2005Natur.437..227H,DOI:10.1038/nature03939,PMID16148927.

Voci correlate

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