venerdì 7 febbraio 2014

Come nasce l'aurora

Tra tutte le possibili foto astronomiche di galassie, ammassi di galassie, nebulose e via dicendo, vi è una particolare categoria di foto che suscita praticamente sempre la passione per i fenomeni celesti più di tutte le altre.
Non avete ancora capito di cosa sto parlando? Forse una foto potrebbe darvi qualche indizio:

Fonte: Astronomy picture of the day (http://apod.nasa.gov)
Esatto, stiamo parlando dell'aurora. 

Comunque, partiamo dal principio. 
Siamo nel nostro sistema solare. Ovviamente abbiamo il Sole e altrettanto ovviamente abbiamo i pianeti (e anche altre cose ma per ora "non ti curar di loro ma guarda e passa"). 
Il Sole è una palla di gas caldo, lo sappiamo.  Quello che forse non tutti sanno è che il Sole produce un vento, il cosiddetto vento solare. 
In pratica il vento solare è un flusso di elettroni e protoni che partono dal Sole e fanno una gita nel sistema solare. Ma, un momento! Il Sole ha un campo di gravità incredibilmente enorme: come fanno queste piccolissime particelle a scappare? Devono avere la giusta velocità. Se vanno abbastanza rapide allora riescono a sfuggire alla gravità del Sole e a continuare il loro viaggio-premio. 

Bene, chiarito questo andiamo avanti. Questo vento si propaga nel sistema solare. Ad un certo punto si imbatte in un piccolo pianeta tutto azzurro (ehm, la Terra). Cosa accade? Un bombardamento? Più o meno. Il punto è che tra noi e il vento solare c'è un altro protagonista: il campo magnetico terrestre. 

Ah, bene, direte voi. Ma cos'è? E perché esiste? Ottime domande. Siccome non sappiamo ancora spiegarci per bene la causa che genera il campo magnetico terrestre (detto anche, per gli amici, campo geomagnetico), diremo solo cos'è. 
Un campo magnetico, in generale, è un campo prodotto da particelle cariche che si muovono. Quello che interessa a noi è che quando delle particelle cariche (come lo sono ad esempio, negativamente gli elettroni e positivamente i protoni) incontrano un campo magnetico allora non c'è scampo. 
Cioè, i campi magnetici sono come le tasse: non si possono evitare. Dunque mestamente le particelle che compongono il vento solare, dopo alcune imprecazioni che non stiamo a riportare, iniziamo ad attraversare il campo magnetico. Inoltre, seguendo le regole del campo magnetico. Cosa vuol dire quest' ultima affermazione? Questa è un po' difficile da spiegare ma possiamo pensare alla seguente analogia: nel campo gravitazionale terrestre gli oggetti cadono verticalmente piuttosto che orizzontalmente. Allo stesso modo ma in maniera diversa, le particelle cariche seguono i dettami del campo magnetico che incontrano e si muovono lungo le "linee" che descrivono tale campo magnetico.
Dunque se conosciamo come sono fatte le linee del campo geomagnetico allora sappiamo come si muoveranno le particelle del vento solare.

A questo punto è meglio una bella figura che descrive quello che abbiamo detto fin qui che mille altre parole:

Fonte: en.wikipedia.org

Prossima domanda: il campo geomagnetico scherma e protegge la Terra dal vento solare; dunque come fanno gli elettroni e protoni solari ad arrivare sulla Terra (per poi produrre le aurore, come vedremo tra pochissimo)? 
Questo accade grazie ad un fenomeno chiamato riconnessione magnetica. In pratica, in principio, il vento solare "accarezza" le "pareti" esterne del nostro campo magnetico (scusate per l'abbondanza di virgolette!) e sembrano allontanarsi per sempre dal nostro pianeta. In realtà, a causa di una serie di complicati processi legati alle diverse direzioni sia del campo geomagnetico sia del campo magnetico associato al vento solare (che esiste perché un campo magnetico c'è sempre quando ci sono particelle cariche che si muovono), dunque dicevo, a causa di complicati processi le particelle del vento solare riescono a penetrare nel campo magnetico (sempre comunque muovendosi lungo le linee di campo, ovviamente).  Come detto, la cosa è abbastanza complicata, ma la NASA ha creato un video brevissimo che spiega come vanno le cose. Eccolo qui: 



Ci siamo finalmente! Elettroni e protoni del vento solare sono arrivati a farci visita dopo mille peripezie magnetiche che,  probabilmente, non hanno tanta voglia di raccontarci. Cosa accade a queste particelle? Dopo tutto quello che hanno passato ci mancherebbe altro che subissero qualche fenomeno insignificante. No, sono particelle speciali e alla fine producono le celeberrime aurore!

Già, le aurore polari. Il fatto che avvengano nelle zone polari del nostro pianeta è ormai chiaro: siccome le aurore sono generate dalle particelle del vento solare e tali particelle sono "guidate" dal campo geomagnetico verso alte latitudini, il fatto che avvengano ai poli non dovrebbe più sorprendere. 

Ora vediamo cosa accade. Innanzitutto cosa c'è nell'atmosfera? Molecole di azoto, di ossigeno e anche qualche qualche atomo di ossigeno (la differenza tra molecole e atomo? Una molecola è formata da più atomi). 
Quando queste super-energetiche-velocissime particelle del vento solare incontrano i quieti atomi  dell'atmosfera accade che quest'ultimi vengono, come si dice in gergo, "eccitate". Se volete è come se in un paese di anziani improvvisamente arriva un gruppo di giovani a fare baldoria e i vecchietti iniziano a fare chiasso anche loro trascinati dalla verve giovanile. 
Fisicamente parlando, quello che accade quando una molecola viene eccitata è che un elettrone che vagava intorno al nucleo spensierato improvvisamente acquista energia a causa della collisione con le particelle del vento solare. 
Come per i vecchietti di prima, quando i giovani se vanno si ritorna alla calma piatta. E così l'elettrone della molecola. Dopo un certo periodo di tempo ritorna allo stato in cui si trovava prima. 
Ma se ci è voluta una collisione per farlo eccitare, tornare al punto di partenza anche ha una conseguenza: viene emesso un fotone. 
A seconda del grado di eccitazione ricevuta, quando il fotone torna "al suo posto", viene emesso un fotone più o meno energetico. Il grado di eccitazione dipende anche dalla molecola/atomo in cui l'elettrone che si eccita si trova. Per quanto riguarda il caso di atomi di ossigeno che si trovano nelle parti alti dell'atmosfera i fotoni che vengono emessi sono tali che la loro lunghezza d'onda prevalentemente osservabile dall'occhio umano è quella che da la luce verde (ricordatevi che la luce, cioè i fotoni, sono onde elettromagnetiche).

Altro punto da spiegare: le aurore avvengono a 100 km di altezza circa nell'atmosfera. Perché? 
Abbiamo detto che gli atomi di ossigeno vengono eccitati dalle particelle del vento solare. Se fossimo in un ambiente pieno di atomi e/o molecole allora gli atomi di ossigeno potrebbero perdere la loro eccitazione o eccitarsi ulteriormente semplicemente urtando un altro atomo o un'altra molecola. Per avere l'emissione di un fotone "verde" dovuto all'eccitazione da parte di particelle del vento solare, i nostri carissimi atomi di ossigeno devono stare da soli, insomma si devono concentrare sul loro lavoro, se volete. Scherzi a parte, quello che voglio dire è che ci vuole una densità di atomi/molecole piuttosto bassa per fare in modo che gli atomi di ossigeno ritornino alla loro configurazione iniziale e quindi per emettere la luce verde. Questa condizione è soddisfatta nell'alta atmosfera. Inoltre è proprio nell'alta atmosfera che si trova una maggiore abbondanza di atomi di ossigeno. Insomma, a 100 km di altezza si ha il mix perfetto.

Ultima cosa: dove si possono vedere le aurore? Come abbiamo già detto, esse vengono chiamate polari, quindi potete immaginare che se siete in vacanza in Molise (?) non se ne parla proprio. Comunque se volete osservarne una allora armatevi di cappotto e prenotate un biglietto per Alaska, Canada e Scandinavia. 
Se proprio siete già stati nei posti già citati ma non vi siete accorti dell'aurora allora, beh, altre mete esotiche potrebbero essere gli altri pianeti. Perché sì, le aurore avvengono anche su gli altri pianeti visto che gli ingredienti fondamentali sono il vento solare e il campo magnetico. Ecco un esempio su un pianeta amatissimo: Saturno.



Dunque siamo partiti dal Sole e abbiamo seguito questi poveri elettroni e protoni nel loro viaggio nel sistema solare. Ci siamo imbattuti in un tenace campo magnetico e dopo un po' di giravolte siamo arrivati ai poli. Quando sembrava finita, degli innocenti atomi di ossigeno si sono messi tra i piedi e...ecco l'aurora!