Proiezione della luce vento solare: simulare le aurore a scuola Teach article

Tradotto da Rocco G Maltese. Le aurore sono una delle meraviglie della natura. Utilizzando alcuni semplici strumenti, si possono facilmente riprodurre altri fenomeni a loro collegati

Le aurore sono dei fenomeni tipici delle regioni polari dove l’aria rarefatta della atmosfera superiore si illumina e risplende durante le ore notturne. Sono anche note come luci settentrionali e meridionali (o polari). In questo articolo spiegheremo come si formano le aurore, e descriveremo quattro esercitazioni in laboratorio, adatti a studenti di 14-16 anni, nei quali si possono simulare aurore boreali e fenomeni ad esse correlate.

Forse, alquanto inaspettatamente, la vera causa delle aurore non si può attribuire all’atmosfera terrestre ma bensì a quella Solare. Il Sole – la nostra stella – emana la sua energia nello spazio in due modi: come radiazione della quale noi possiamo vedere la parte visibile, e come vento solare, invisibile, ma che potenzia le aurore quando reagisce con la parte superiore dell’atmosfera. Il vento solare è formato di particelle cariche – elettroni e ioni, in maggioranza ioni idrogeno (protoni) – ed ha proprietà variabili. La sua velocità varia da una decina di chilometri al secondo a diverse migliaia, e la sua densità solitamente varia in un intervallo di alcuni elettroni e protoni per centimetro cubo (mediamente cinque), alla distanza Terra-Sole.

Il vento solare è elettricamente carico ed è quindi sensibile al campi magnetici. E’ in conseguenza di ciò che una grossa porzione delle particelle del vento solare che passano in vicinanza del nostro pianeta vengono intrappolate dal campo magnetico Terrestre (figura 1) e convogliate verso uno dei poli magnetici della Terra; queste particelle così intrappolate formano ciò che è conosciuta come la fascia di Van Allen.

Per la maggior parte della sua estensione la fascia di Van Allen giace ben al di sopra della superficie terrestre (circa 45000 km all’equatore). Ai poli, invece, entra nell’atmosfera: le sue particelle cariche entrano in collisione con l’atmosfera ad un’altitudine di 80-500 km, dove l’aria è molto rarefatta (con una pressione minore di alcuni decimi di pascal). (N.d.T. Ricordate che la pressione al livello del mare è pari a 101 kPa.).

Come ciò può causare le aurore? Durante la collisione, gli atomi presenti nell’atmosfera si ionizzano (ciò succede quando uno o più elettroni vengono espulsi) o vengono eccitati (quando la collisione fornisce energia ad un elettrone, esso balza al livello energetico superiore, ma poi ritorna al suo stato fondamentale subito dopo averlo espulso), perciò instabile.

Per ritornare al loro stato normale, essi possono essere sottoposti ad una reazione chimica, o rilasciare l’energia assorbita sotto forma di un raggio di luce visibile, che noi chiamiamo aurora. Viste dallo spazio le aurore boreali e australi, formano un anello detto aurora ovale, contrassegnando la zona in cui la fascia di Van Allen si immerge nell’atmosfera terrestre (vedi l’immagine a sinistra).

Quantunque la nostra esperienza di aurore sia limitata a quelle sulla Terra, esse non sono una prerogativa solo del nostro pianeta: gli astronomi hanno osservato aurore sui pianeti del nostro Sistema Solare, in particolare su Giove e Saturno, e persino su Marte, oltre le anomalie magnetiche.

Esperimento base

Lo scienziato Norvegese Kristian Olav Birkeland (1867-1917) fu il primo a utilizzare una piccola sfera magnetizzata detta terrella (‘piccola terra’) per dimostrare i meccanismi delle aurore. In una camera a vuoto, un catodo, rappresentante il Sole, produce un flusso di elettroni (il vento solare, anche se gli elettroni rappresentano solo una parte delle particelle che compongono il vento solare), mentre la terrella (l’anodo) è sottoposta a questo vento e si comporta come un pianeta o un altro corpo celeste del Sistema Solare. La preparazione dell’esperimento può essere modificata, come mostrato qui di seguito, per dimostrare una serie di ulteriori proprietà fisiche.

La strumentazione si può costruire utilizzando oggetti che si trovano facilmente nelle scuole superiori, si impiegano circa 10 ore per la costruzione. Lo schema generale di preparazione è mostrato in figura 2; scaricate i dettagli dei materiali da utilizzare e la procedura di costruzione^w1 dal sito internet di Science in School (Scienza a Scuola).

Attività 1 : Simulazione delle aurore e della fascia di Van Allen

In questo esperimento, simile a quello di Birkeland, abbiamo simulato le aurore e la fascia di Van Allen. La strumentazione dovrebbe essere sistemata in modo che l’elettrodo sospeso nella camera a vuoto sia il catodo, che rappresenta il Sole e genera un flusso di elettroni (figura 2). La sfera magnetica costituisce l’anodo, e rappresenta la Terra, il suo asse magnetico dovrebbe essere perpendicolare al flusso di elettroni.

Gli elettroni (‘vento solare’) sono attratti e circondano la sfera (la ‘Terra’, l’anodo). Nel fare ciò, essi collidono con il gas di atomi poiché la camera non è a vuoto perfetto, producendo un effetto luminoso attorno alla sfera. Gli elettroni quindi si muovono verso i poli della sfera e cominciano a ruotare, seguendo le linee del campo magnetico; potete accorgervi di questo perché si formerà un anello di luce su ciascun polo (figura 3).

Quanto si avvicina alla realtà la simulazione? Il bagliore generalizzato attorno alla sfera magnetica, rappresenta la fascia di Van Allen, che in realtà è visibile ai poli, dove entra nell’atmosfera terrestre. Nella nostra simulazione, poiché nella camera a vuoto sono presenti piccole quantità di gas, la nostra ‘fascia di Van Allen’ visualizza l’intero campo magnetico della ‘Terra’.

Nella nostra simulazione, gli anelli brillanti attorno a ciascun polo rappresentano gli ovali delle aurore. In realtà, questi sono causati dal grande numero di elettroni (ricordate che le linee del campo magnetico più vicine, le une alle altre, proprio ai poli) che colpiscono gli atomi del gas.

Tuttavia, i colori visibili nella simulazione differiscono da quelli visti più comunemente nelle luci settentrionali e meridionali. I colori più brillanti delle aurore Terrestre (verde e rosso) sono causati dall’ossigeno atomico che è l’unico presente nella parte superiore dell’atmosfera. I colori nella nostra simulazione (viola, rosso, rosa e bianco) si trovano nelle aurore solo a bassa quota, dove l’ossigeno molecolare e l’azoto sono abbondanti. Questi colori sono visibili solo alcune volte per decade quando il vento solare entra nell’atmosfera ad alta velocità.

Attività 2: Dimostrazione della forza di Lorentz

Nel precedente esperimento, la sfera era l’anodo e rappresentava la Terra, mentre l’altro elettrodo, rappresentava una stella (il Sole). In questo esperimento scambieremo gli elettrodi, ponendo la sfera come catodo, per vedere l’effetto del vento solare attorno alla stella. Quando facciamo questo, vediamo un brillante anello attorno all’equatore della ‘stella’ (figura 4).

Cosa sta succedendo? Gli elettroni ruotano attorno all’equatore magnetico della sfera per effetto della forza di Lorentz (conosciuta anche come forza di Laplace), che si genera quando una particella carica si muove in presenza di un campo magnetico. La forza è perpendicolare sia alla direzione di spostamento della particella che al campo magnetico, costringendo la particella a ruotare intorno alle linee del campo magnetico. Questo genera una corrente stellare ad anello.

Quanto si avvicina alla realtà la simulazione? Non vi è alcuna corrente ad anello attorno al Sole poiché il suo campo magnetico non è sufficientemente forte. E’ possibile, tuttavia, che le correnti ad anello possano esistere attorno ad altre stelle con un campo magnetico più forte, ma non possono essere osservate con i telescopi costruiti con l’attuale tecnologia poiché le stelle stesse sono molto più luminose della corrente ad anello.

Attività 3: Creare un aurora sul Sole

Anche in questo esperimento, siamo andati al di là di quanto è stato osservato in natura, creando un aurora sullo stesso Sole. Nuovamente poniamo la sfera come catodo, questa volta aumentiamo la forza del campo magnetico usando un magnete più forte ed una sfera con una parete più sottile ( abbiamo usato una palla di Natale). Facendo ciò, vediamo che gli elettroni sono sparati dal ‘Sole’ eccetto una porzione di questo vento solare che ricade sul Sole lungo le linee del suo campo magnetico, formando un drammatico cerchio di luce al polo più vicino all’anodo, come mostrato nella figura 5.

‘E’ questo coerente con quanto succede in realtà’? Basandosi sulle nostre conoscenze del Sole e del vento solare, gli scienziati predicono l’esistenza di una aurora attorno al Sole, ma che non posiamo osservarla poiché il Sole è troppo luminoso e troppo distante.

Attività 4: Modellazione simultanea del Sole e della Terra

Sino ad ora, i nostri esperimenti hanno simulato sia il modello della Terra o del Sole separatamente, rappresentante l’altro con un semplice elettrodo. Tuttavia é altrsì possibile rappresentare allo stesso tempo,entrambe i corpi con delle sfere. In questa attività, mettiamo da parte i semplici elettrodi e piazziamo due sfere magnetiche nella camera a vuoto (figura 6), per dimostrare diversi fenomeni legati all’interazione tra il Sole e la Terra. Per il Sole, utilizzeremo come catodo, la sfera dell’attività 3 (per es. la palle di Natale con un magnete al suo interno), e useremo come anodo, una sfera magnetica più piccola.

Vediamo un bagliore tutto attorno al ‘Sole’ (figura 7A), simile al bagliore generalizzato attorno alla ‘Terra’ nell’attività 1. Questa volta, tuttavia, il bagliore rappresenta la corona solare. La corona é l’espansione del vento solare che lascia la stella, visibile solo dalla Terra durante le eclissi di Sole; il resto del tempo viene oscurata dalla superficie del Sole. In realtà, la formazione della corona solare dipende non solo dal vento solare ma anche dalla temperatura e dalla configurazione magnetica del Sole, così la nostra ‘corona’ é più un’analogia che una simulazione.

Il vento solare simulato viaggia dal Sole (figura 7A) attraverso lo spazio interplanetario verso la Terra (B). Là, come nell’attività 1, esso provoca un bagliore che circonda il pianeta (la fascia di Van Allen), e contemporaneamente si formano degli anelli brillanti (aurore ovali) intorno ai poli. In figura 7, l’aurora ovale settentrionale (C) é chiaramente visibile e quella meridionale é nascosta da una parte dei nostri strumenti.

Possiamo altresì vedere brillanti pennacchi di luce provenienti dalle aurore ovali (figura 7D, E ed F). Questi pennacchi di luce si vedono anche nel fenomeno reale, sono note col nome di cuspidi polari. Nella nostra simulazione, sono provocate dai campi magnetici delle due sfere poiché sono interconnessi: gli elettroni viaggiano lungo le linee di forza dei campi magnetici interconnessi. Nella realtà la spiegazione é un poco più complessa: le linee del campo magnetico della Terra e del Sole non sono direttamente interconnesse, ma sono legate al il campo magnetico interplanetario, che è immerso nel vento solare.

Nella realtà, diversamente dalla nostra simulazione, le aurore ovali sono più brillanti delle cuspidi solari. Questo é dovuto all’accelerazione delle particelle cariche che sono responsabili dell’ingrandimento delle aurore ovali al loro ingresso nel campo magnetico della Terra, che ne incrementa l’energia e la velocità. Nella simulazione, invece, gli elettroni viaggiano a velocità costante.