Il campo magnetico terrestre

Prima di parlare delle particelle intrappolate nelle fasce di Van Allen, è necessario parlare brevemente del campo magnetico terrestre o campo geomagnetico.

Il campo magnetico terrestre è originato da correnti elettriche che scorrono dentro il nucleo della Terra. E’ in prima approssimazione un campo dipolare con i poli magnetici invertiti rispetto ai poli geografici, inclinato di circa 11° rispetto all’asse di rotazione terrestre e con il centro del dipolo spostato  di 320 km rispetto al centro della Terra.

Il campo cambia negli anni lentamente, producendo un drift secolare dei Poli magnetici.

Le regioni esterne del campo magnetico terrestre sono influenzate dal campo magnetico trasportato dal Vento Solare, effetto importante per orbite distanti. Una regione a distanza di 10 R_E (dalla parte del Sole) è considerata come il confine della magnetosfera. Il sole comprime un lato della magnetosfera ed allunga quello opposto.

Il campo geomagnetico deflette le particelle cariche e scherma la terra dal vento solare e dai raggi cosmici. Questo perché un campo magnetico esercita su una particella carica in movimento una forza (forza di Lorentz) perpendicolare al piano contenente il vettore velocità e il campo stesso deviando quindi la particella. Nel caso in cui il campo è allineato alla velocità la forza è zero. Detto in modo più formale la forza è il prodotto vettoriale tra il vettore velocità v e il vettore campo B (in questo ordine) moltiplicato per la carica:

F = q v x B

Nel caso in cui il campo e la velocità sono costanti e ortogonali la traiettoria è una circonferenza intorno al campo magnetico (come negli acceleratori di particelle).

Nel caso del campo geomagnetico le particelle che arrivano all’equatore vengono quindi deflesse all’indietro, mentre quelle che arrivano verso i poli magnetici seguono le linee di campo senza subire alcuna deflessione. Come già detto i raggi cosmici ai poli arrivano a bassa quota e interagendo con la ionosfera terrestre (tra i 100 e i 500 km) eccitano gli atomi dell’atmosfera che diseccitando emettono luce andando a formare le aurore polari. Le aurore visibili ad occhio nudo sono prodotte dagli elettroni, mentre quelle di protoni possono essere osservate solo con l’ausilio di particolari strumenti, sia da terra sia dallo spazio.

 

Aurora boreale sopra il Bear Lake in Alaska (Wikipedia)

Aurora australe catturata nel 2005 dal satellite Image della NASA (Wikipedia)

Aurora su Saturno ripresa dal telescopio spaziale Hubble nel 2005 (NASA-JPL)

Le particelle intrappolate

Se consideriamo una particella carica in moto nell’atmosfera terrestre e ne seguiamo la sua traiettoria all’indietro possiamo avere tre possibili origini per la particella:

1. La traiettoria parte dalla superficie della Terra
2. La traiettoria rimane confinata in un volume finito attorno alla Terra
3. La traiettoria ha origine molto distante dalla Terra

Le traiettorie 1) and 2) sono considerate “proibite” perché non corrispondono a nessun raggio cosmico primario che raggiunga la Terra da una grande distanza. La 3) è invece una traiettoria “permessa”.

Le orbite proibite non furono prese in considerazione, sebbene già conosciute matematicamente, fino a che nel 1958 Van Allen con l’Explorer I e II scoprì che i rivelatori di raggi cosmici di bordo ad un altezza oltre i 2000 km sembravano bloccarsi. I rivelatori andavano in saturazione, cioè non riuscivano a stare dietro all’aumento di flusso delle particelle. Van Allen aveva scoperto l’esistenza di due fasce di radiazione intorno alla Terra, che contenevano particelle intrappolate: una fascia interna formata principalmente da protoni, ed una esterna ricca di elettroni.

Come riescono delle particelle cariche a trovarsi in quelle traiettorie proibite? Come riescono a superare la schermatura del campo magnetico?

I Raggi Cosmici di alta energia interagiscono con l’atmosfera, producendo neutroni che, essendo neutri, possono penetrare entro lo schermo magnetico della Terra. I neutroni liberi sono instabili e decadono poi in elettroni e protoni che rimangono intrappolati nelle fasce di radiazione. Le particelle intrappolate seguono delle traiettorie che sono la combinazione di tre moti periodici:

1. La rotazione circolare intorno alle linee di forza
2. L’oscillazione lungo le linee di forza intorno al piano equatoriale tra due punti “specchio”
3. Drift longitudinale. Le particelle positive si muovono verso Ovest, le negative verso Est.

South Atlantic Anomaly (SAA)

Poiché il centro del dipolo magnetico non corrisponde col centro della Terra, c’è una zona situata a circa 200-300 km dalla costa del Brasile dove la parte delle fasce di Van Allen più prossima alla Terra arriva a quote molto basse formando  quella che viene chiamata l’Anomalia Sud Atlantica.