Nuovi dettagli sulle fasce di radiazione che avvolgono la Terra

Da quando furono scoperte dall'Explorer 1 alla fine degli anni '50, le fasce di radiazione che avvolgono il nostro pianeta, per quanto dinamiche, sono rimaste piuttosto immutate nei nostri libri di testo. Ora, però, due sonde della NASA stanno rivoluzionando lo studio di questi ambienti estremi e pericolosi, aggiungendo nuovi tasselli a un puzzle che ogni giorno si rivela sempre più complesso e vasto.

Per decenni, abbiamo visto le fase di radiazione come due cinture situate attorno alla Terra e separate da una fascia vuota. I primi dati raccolti dalle due sonde di Van Allen della NASA, che attraversano entrambe le regioni a ogni orbita, suggeriscono però che la forma delle fasce di radiazione sia molto più dinamica e complessa.

Il modello classico delle fasce di Van Allen: una cintura esterna più dinamica e una interna più stabile, separate da un buco. Credits: NASA Goddard/Duberstein

"La forma delle fasce in realtà cambia molto a seconda di che tipo di elettrone ti interessa,” spiega Geoff Reeves del laboratorio nazionale di Los Alamos, in New Mexico. “Elettroni caratterizzati da diversi livelli energetici non sono distribuiti uniformemente in queste regioni.”

Le analisi delle due sonde gemelle suggeriscono che la visione classica delle fasce di radiazione - una piccola fascia interna, un buco e poi la grande fascia esterna - vada quantomeno rivisitata, per non dire riscritta da capo. Considerando elettroni a diversi livelli energetici, infatti, gli scienziati si sono accorti che la struttura può variare da quella di un'unica fascia continua, a quella di una grande fascia interna con una piccola fascia esterna, fino a quella di una piccola fascia esterna con nessuna fascia interna.

"È come ascoltare diverse parti di una canzone," prosegue Reeves. "Il basso è molto diverso dal vocale, e il vocale a sua volta è molto diverso dagli strumenti a percussione." Allo stesso modo, elettroni a diversi livelli energetici si comportano molto diversamente nelle fasce di radiazioni.

Gli elettroni più energetici, caratterizzati da energie di circa 1 megaelettronvolt (MeV), si trovano solamente nella fascia esterna.

Considerando elettroni a basse energie, la fascia interna risulta molto più vasta di quella esterna. Risalendo lungo la scala energetica, la fascia esterna si gonfia sempre di più, superando in dimensioni quella interna, che a energie elevatissime scompare del tutto. Ma anche questo modello, secondo gli scienziati, è fin troppo semplificato: la struttura delle fasce di radiazioni, infatti, è notevolmente influenzata dalle tempeste geomagnetiche. Quando il materiale magnetico proveniente a grande velocità dal Sole nella forma di vento solare o espulsioni di massa coronale coccia contro il campo magnetico terrestro, si verifica una tempesta geomagnetica. Questi fenomeni sono in grado di momentaneamente alterare il numero e le popolazioni di elettroni nelle fasce di radiazione.

Il problema è l'imprevedibilità di tali fenomeni. Senza conoscere la relazione tra l'intensità di una tempesta geomagnetica e la magnitudine dei suoi effetti sulle fasce di radiazioni, è impossibile effettuare previsioni. Per fortuna, le due sonde della NASA stanno facendo luce anche su questo capitolo.

A energie minori, pari a circa 0.1 MeV, la fascia interna risulta molto più vasta, invadendo parte di quella che un tempo era considerata la regione vuota tra le due cinture.

"Quando consideriamo un'ampia gamma di energie, iniziamo a vedere dei tratti in comune nelle dinamiche delle tempeste," spiega Reeves. "La risposta di elettroni a diversi livelli energetici differisce nei dettagli, ma c'è qualche comportamento in comune. Ad esempio, abbiamo osservato che gli elettroni abbandonano la regione vuota tra le due fasce subito dopo una tempesta geomagnetica, ma la posizione del buco dipende dall'energia degli elettroni."

Molto spesso, in seguito ad attività geomagnetiche, la fascia esterna si estende verso l'interno, riempiendo il buco che altrimenti la separerebbe dalla fascia interna, e formando così un'unica, vastissima regione. Quando poi, consumatasi la tempesta, la fascia esterna incomincia a ritirarsi, il buco si riforma in posizioni diverse a seconda dell'energia degli elettroni: a energie basse, il buco si forma lontano dalla Terra, producendo una fascia interna più ampia di quella esterna, mentre a energie elevate, il buco si forma vicino alla Terra, producendo una fascia esterna più ampia di quella interna.

Durante le tempeste geomagnetiche, gli elettroni meno energetici, fino a 0.8 MeV, colmano il buco tra le due fasce, creando un'unica, massiccia regione di radiazioni.

Tutti questi risultati sono stati consentiti dalla grande versatilità delle due sonde Van Allen. A differenza dei loro predecessori, le due sonde Van Allen sono in grado di osservare sia gli elettroni più energetici, caratterizzati da milioni di elettronvolt, che quelli meno energetici, dotati di poche migliaia di elettronvolt.

"Gli strumenti precedenti misuravano solamente cinque o dieci livelli energetici in contemporanea," commenta Reeves. "Le sonde di Van Allen ne misurano centinaia."

Nonostante l'interferenza dei protoni presenti in prossimità della Terra, che sporcano i dati e rendono difficile l'identificazione degli elettroni a energie minori, gli scienziati sono stati in grado di analizzare tutti i livelli energetici monitorati dalle sonde finora, costruendo un quadro provvisorio ma completo dell'ambiente attorno alla Terra.

"Nonostante il rumore dei protoni, le sonde di Van Allen possono identificare inequivocabilmente le energie degli elettroni in entrata," prosegue Reeves. "Puoi sempre aggiustare un paio di parametri nella tua teoria in modo da farla coincidere con ciò che è stato osservato a due o tre livelli energetici, ma ciò non vuol dire che sia giusta. Osservare centinaia di livelli energetici, come fanno le sonde di Van Allen, ci permette di scartare le teorie che non riflettono le osservazioni."