venerdì, 23 Ottobre, 2020

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Aurora polare: la fisica a colori

Tutti abbiamo sentito parlare dell’aurora polare, splendidi lampi di luce nel cielo. Tale fenomeno è un insieme di ottica ed elettromagnetismo.

A cura Vincenzo Damiano.

Tutti noi abbiamo sentito parlare e visto foto dell’aurora polare (che si definisce Boreale quando si manifesta all’emisfero nord, Australe all’emisfero sud), splendidi lampi di luce che si mostrano nel cielo come stessero danzando, in pochi purtroppo hanno avuto il piacere di vederla dal vivo (insomma, il viaggio ai poli non è una meta turista comunissima!) e non tutti sanno che tale fenomeno è un connubio di ottica ed elettromagnetismo.

A lungo questo affascinante gioco di luci è stato descritto nell’arco della storia, ma le prime idee di correlazione del fenomeno con le attività solari sono nate intorno al 1860.

L’aurora polare: origine del fenomeno

L’aurora Boreale è il risultato dell’interazione tra il vento solare, il quale è sempre presente ma raggiunge picchi quando sulla superficie del sole si presentano macchie solari (zone ad alta attività magnetica) o fenomeni di brillamento (eruzioni solari), e la magnetosfera terrestre.

Nello specifico, le particelle “espulse” dal sole attraverso un fenomeno detto “estroflessione”, che letteralmente le spara nel vuoto (si stima 800 milioni di kg al s) ad una velocità di ~400km/s, attraversano lo spazio ed interagiscono con campo magnetico ed atmosfera terrestre, provocando le Aurore Polari.

aurora polare
Schema del sistema Sole-Terra e del flusso del vento solare. Crediti: Nasa’s Goddard Space Flight Center. Traduzione: M. Messerotti (INAF)

Tale fenomeno, come anticipato, è un connubio di ottica ed elettromagnetismo, proviamo ad analizzare questi aspetti più nel dettaglio

L’elettromagnetismo è la chiave di lettura

Quando il vento solare entra in contatto con l’atmosfera terrestre (nello specifico, la ionosfera), perturbando lo stato di quiete delle particelle dell’atmosfera, si verifica un rilascio di energia sotto varie lunghezze d’onda, tra cui anche quelle visibili all’uomo.

Sorge spontaneo chiedersi per quale motivo tale fenomeno risulta visibile solo ai poli, la risposta risiede nella geometria del campo magnetico terrestre, il quale è composto da archi che collegano i due poli, linee di campo che fuoriescono dal polo sud e si chiudono al polo nord e risultano estremamente flesse ad altezza dei poli convergendo verso terra. Succede quindi che, per via della forma delle linee di campo, le particelle provenienti dal sole vengono deviate nella traiettoria dal campo magnetico terrestre e ne seguono le linee di campo.

aurora polare
Il vento solare colpisce la magnetosfera, particelle penetrano nell’atmosfera terrestre attraverso l’anello ai poli. Credits: http://artico.itd.cnr.it/

Quando il vento solare è particolarmente intenso ci sono molte particelle che riescono ad avvicinarsi alla terra dando energia alle particelle in stato di quiete nella nostra atmosfera incontrate lungo il loro percorso.

Questa interazione tra particelle fa sì che le particelle in stato di quiete dell’atmosfera terrestre ricevano una carica energetica aggiuntiva temporanea, a livello fisico si ha che gli elettroni salgono per brevi momenti a livelli energetici più elevati, per poi tornare allo stato fondamentale emettendo un fotone.

Ora che abbiamo chiarito per quale motivo è visibile ai poli e per quale motivo avviene una emissione luminosa ci resta solo da comprendere il perché della loro forma, per farlo bisogna prima introdurre un concetto molto caro all’elettromagnetismo e sicuramente noto ai più, parliamo della forza di Lorentz.

aurora polare
Particelle cariche di energia colpiscono atomi e molecole dell’atmosfera che rilasciano luce. Credits: https://earthsky.org/

Un campo magnetico non ha effetti su di una carica elettrica in stato di quiete, ma se la carica è in movimento rispetto al campo si genera una forza detta forza di Lorentz. Tale forza risulta perpendicolare sia al moto della carica che al campo magnetico, questo fa sì che tale forza non provochi variazioni di velocità sulla particella ma solo variazioni di traiettoria (curvandola), motivo per cui la traiettoria della particella sarà circolare/elicoidale. Come si lega tale concetto al vento solare che permea il campo magnetico terrestre?

Per essere pragmatici, possiamo dire che la particella carica del vento solare si interseca con il campo magnetico terrestre, segue le linee di campo avendo quindi una traiettoria orientata verso il terreno. Queste sono però soggette alla forza di Lorentz (essendo particelle in moto nel campo magnetico terrestre) che per i motivi su indicati modificherà la loro traiettoria curvandola, bisogna quindi immaginare tante particelle cariche del vento solare che seguendo una traiettoria a spirale verso il terreno interagiscono con le particelle dell’atmosfera terrestre eccitandole e provocando emissione di un fotone.

Se è vero che un’immagine vale più di mille parole, vi proponiamo la seguente:

aurora polare
Rappresentazione grafica della traiettoria assunta dalle particelle del vento solare che seguono le linee del campo magnetico terrestre e sono affette dalla forze di Lorentz. Credits: ilsuperuovo.it

Nota: gli altri effetti ottenuti da tali interazioni sono:

  • Produzione di corrente elettrica
  • Emissione di raggi X
  • Pulsazione del campo magnetico terrestre

Uno spettacolo di colori. Ma perché proprio quei colori?

Come detto, c’è un aspetto dell’Aurora legato ad un fenomeno ottico: abbiamo visto come le particelle della ionosfera, una volta eccitate dalle particelle provenienti dal sole, emettono luce. Come ben sapete la luce altro non è che un’onda elettromagnetica con una lunghezza d’onda percepibile dal nostro sistema visivo, ed il motivo per cui ha colori di tonalità che vanno dal verde al rosso è dovuto alla grande presenza nella ionosfera in stato inerte di ossigeno ed azoto, tali gas se eccitati emettono fotoni con spettro corrispondente ai seguenti colori della luce visibile:

  • Verde -> Ossigeno;
  • Rosso -> Azoto;

Risulta facilmente deducibile che la diversa quantità di tali particelle nei vari punti fa sì che si creino sfumature differenti e spettacolari!

L’aurora polare non è un fenomeno univocamente terrestre!

Grazie ai vari telescopi che le agenzie spaziali hanno in servizio si è avuta conferma che tale fenomeno si presenta su tanti altri corpi celesti del sistema solare e non, il requisito è che il corpo celeste permeato dal vento solare (o della stessa del proprio sistema) abbia un proprio campo magnetico ed un atmosfera. Considerando che come visto il colore assunto è direttamente collegato alle particelle dell’atmosfera, chissà quante possibili combinazioni e schemi di colore saranno possibili. Voi quale preferireste?

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