Plasma

Più del 99 per cento della materia che compone l'universo si trova allo stato di plasma, ciò nonostante raramente sul nostro pianeta si trova in natura: l'ambiente elettricamente neutro della Terra è infatti una rara eccezione.

I processi che involvono il plasma sono fattori importanti nello sviluppo delle caratteristiche di stelle, nubi interstellari, comete, aurore e persino della nostra atmosfera superiore. Per comprendere pienamente i fenomi astrofisici e geofisici, gli scienziati devono prima avere una chiara comprensione di come si comporta la materia allo stato di plasma.

Anni prima dell'avvento dell'era spaziale, le osservazioni effettuate dai radiotelescopi terrestri rivelarono che al di sopra degli strati elettricamente neutri dell'atmosfera terrestre esiste una regione di plasma. La ionosfera riflette con molta efficienza la maggior parte delle onde radio trasmesse da Terra e questa fu la chiave che portò alla scoperta di questa regione.

Il plasma inizia a dominare l'ambiente terrestre nella ionosfera. Il plasma ionosferico è estremamente sottile ed ha strati che differiscono per composizione e densità: lo strato F1 (a circa 200 chilometri di altezza) e lo strato F2 (da circa 300 a 400 chilometri). Nell'F2, dove la densità è maggire, raramente ci sono più di 1 milione di coppie elettrone-ione per centimetro cubico (cc), l'equivalente del contenuto di un cucchiaino da the di spazio, come termine di paragone il gas allo stato neutro nello stesso volume è, generalmente, di 1 miliardo di particelle (la densità del gas allo stato neutro sulla superficie terrestre è, approssimativamente, di 10 miliardi di miliardi di particelle per cc). In questi strati, il plasma è composto prevalentemente da elettroni e ioni di ossigeno, alimentato dall'azione ionizzante della radiazione ultravioletta solare sul gas allo stato neutro. Nel corso della notte, tutti gli strati della ionosfera tendono a miscelarsi.

Con l'avvento dei satelliti scientifici artificiali, i ricercatori hanno potuto misurare le caratteristiche dell'ambiente spaziale terrestre scoprendo che l'atmosfera ionizzata si estende molto più in alto di quanto si ritenesse. Quantità minime di gas ionizzati sono stati trovati nella magnetopausa terrestre, che si estende dallo strato più basso e denso della ionosfera (noto come strato E) e il confine interplanetario del campo magnetico terrestre. Nel lato della Terra rivolto al Sole, la magnetopausa si estende fino da 140 a 64.000 chilometri. Le proprietà del gas in questa regione sono controllate dal campo geomagnetico terrestre e, generalmente, ci si riferisce a questa come alla magnetosfera. La magnetopausa si allontana dal Sole nel lato notturno del nostro pianeta, formando coda magnetica, che si estende ben oltre l'orbita lunare (oltre 384.000 chilometri) formando una scia di forma simile alla coda di una cometa.

Il plasma è fortemente influenzato sia dalle forze magnetiche che elettriche e, di ritorno, le particelle di plasma influiscono sulla distribuzione dei campi magnetici ed elettrici. Oltre la magnetopausa, il plasma energetico che fluisce dal Sole (il cosiddetto vento solare) oltrepassa la Terra a velocità tra 300 e 1.000 chilometri al secondo. Mentre la maggior parte del vento solare viene deflesso intorno al nostro pianeta, una parte di esso penetra nella magnetosfera. L'interazione tra il vento solare ed il plasma della magnetosfera agisce come un generatore elettrico [chiamato generatore Magneto-Idro-Dinamico (MHD)], che crea campi magnetici nelle profondità della mangetopausa. Questi campi generano una circolazione generale del plasma (un sistema di correnti) ed accellera alcuni elettroni e ioni elevandoli ad alte energie.

La manifestazione visibile di questo fenomeno sono le aurore, le luci colorate che compaiono alle alte latitudini settentrionali e meridionali tra 90 e 160 chilometri di altezza. I colori aurorali vengono determinati dalla natura degli atomi investiti dagli elettroni magnetosferici e dall'energia delle collisioni: il cielo notturno è dipinto di rosso o verde dall'ossigeno e dall'idrogeno, di viola e rosa dall'azoto. Una aurora tipica dura circa 3 ore e copre una superficie di un milione di metri quadrati di territorio, scaricando in un'ora approssimativamente 100 milioni di kilowatt (kW) di energia elettrica nell'ambiente terrestre. Un quantitativo di energia sufficiente ad alimentare una media città di 250.000 abitanti per quasi 9 giorni e l'equivalente dell'energia prodotta in 6 giorni da una grande centrale nucleare.

Conoscendo le caratteristiche magnetiche e del plasma nell'ambiente che circonda la Terra, gli scienziati possono riconoscere e comprendere i processi che coinvolgono il plasma nel resto dell'universo. Inoltre, aurore sono state osservate su Giove e gli stessi tipi di fenomeno sembrano verificarsi nella magnetosfera di Saturno e Urano.

Molte radiazioni ad alta energia, come i raggi X e gamma rilevati dalle osservazioni astronomiche provengono da plasma magnetizzato in prossimità di stelle, galassie ed altri oggetti. Una visione nell'ottico dell'universo rivela solo una superficiale apparenza, lo studio del plasma rivelerà l'invisibile struttura dello spazio ed i processi che potrebbero aver portato alla formazione del sistema solare dal plasma e dalle polveri.

Tratto da :"The Liftoff Academy" - Cortesia NASA/JPL