Da ‘macro’ a ‘micro’ – la turbolenza vista da Cluster

Micro turbulence seen by Cluster
10 Agosto 2005

Grazie alle misurazioni effettuate dalla missione Cluster dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), una squadra di scienziati europei ha identificato la presenza di ‘micro’ vortici nella magnetosfera terrestre.

Tale turbolenza di piccole dimensioni, la cui esistenza è stata predetta mediante modelli matematici, non era mai stata osservata nello spazio prima d'ora. I risultati riguardano non solo la fisica spaziale, ma anche altre applicazioni tra cui la ricerca sulla fusione nucleare.

Il 9 marzo 2002 i quattro satelliti Cluster, in una formazione di volo che li vedeva a 100 kilometri di distanza l'uno dall'altro, hanno attraversato la ‘cuspide magnetica’ settentrionale nella quale hanno fatto l'interessante scoperta. Le cuspidi sono le regioni sopra ai poli nelle quali le linee del campo magnetico che circondano la Terra formano un imbuto magnetico.

Le cuspidi sono anche le due importanti regioni della magnetosfera terrestre nelle quali il ‘vento solare’ - ovvero un flusso costante di particelle cariche generate dal sole che attraversa l'intero sistema solare - può accedere direttamente allo strato superiore dell'atmosfera terrestre (ionosfera).

Attraverso queste e altre regioni 'di accesso' vengono trasportate grandi quantità di plasma (gas di particelle cariche) ed energia che penetrano la magnetosfera, lo scudo protettivo naturale del nostro pianeta. Meno dell'un percento di tutta l'energia trasportata dal vento solare riesce effettivamente ad insinuarsi nella magnetosfera, ma può ciononostante avere un impatto negativo significativo sui sistemi terrestri come le reti di telecomunicazione e le linee elettriche.

Il materiale solare che riesce a passare genera turbolenza nel plasma che circonda la Terra, in modo simile alla turbolenza che si genera nei fluidi ma con forze più complesse. Questa turbolenza viene generata ad esempio nelle aree di transizione tra strati di plasma di diversa densità e temperatura, ma i suoi meccanismi di formazione non sono del tutto chiari.

La turbolenza può estendersi per diverse migliaia o per un numero limitato di kilometri. Nel 2004, nel corso di misurazioni in situ ‘multi-point’, i quattro satelliti Cluster rilevarono l'esistenza di vortici di turbolenza di grandi dimensioni, che si estendevano fino a 40.000 kilometri, affiancati alla ‘magnetopausa’ (un'area di confine che separa la magnetosfera dallo spazio libero). La recente scoperta della ‘micro’ turbolenza, con vortici di soli 100 kilometri di ampiezza, è la prima mai effettuata nello studio del plasma che circonda la Terra.

Una tale scoperta consente agli scienziati di iniziare a mettere in correlazione le turbolenze su piccola e larga scala nonché di cominciare ad indagare sulla loro formazione e sui loro collegamenti. Ad esempio, quali sono i meccanismi che danno vita e forma alla turbolenza? Quanto contribuiscono i vortici al trasporto di massa ed energia attraverso gli strati di confine? Un vortice grande scaturisce necessariamente da un vortice piccolo? Oppure sono i vortici grandi che, dissipando la loro energia, creano una cascata di vortici più piccoli?

Nell'aiutare a rispondere a queste domande, Cluster rivoluziona le teorie che spiegano le modalità e i meccanismi con cui l'attività solare influisce sulla Terra. Cluster è uno strumento diagnostico senza precedenti che consente di creare la prima mappa tridimensionale dello spazio più prossimo alla Terra. E’ Inoltre unico per le osservazioni simultanee che consente di effettuare da più veicoli spaziali.

Lo studio della turbolenza nel plasma terrestre realizzato da Cluster contribuisce anche al progresso delle teorie fondamentali sul plasma. Questo studio è importante non solo per l'astrofisica, ma anche per il trattamento del plasma in laboratorio, caratterizzato da energie elevate questo è di particolare interesse per la ricerca sulla fusione nucleare.

Note di redazione

Le scoperte qui presentate sono state pubblicate nel numero dell'11 agosto della rivista scientifica Nature. Gli autori dei risultati sono: D. Sundkvist (CNRS, Orleans, France/Swedish Institute of Space Physics, Uppsala, Svezia); V. Krasnoselskikh (CNRS, Orleans, Francia); P.K. Shukla (Institut fur Theoretische Physik IV, Bochum, Germania); A. Vaivads, M. Andre, S. Buchert (Swedish Institute of Space Phyisics, Uppsala, Svezia); H. Reme (CESR, Toulouse, Francia).

La scoperta dei vortici giganti menzionati nell'articolo è stata pubblicata nel numero del 12 agosto 2004 di Nature, in una relazione di H. Hasegawa, et al.

Per ulteriori informazioni:

David Sundkvist,
Results lead author, Swedish Institute of Space Physics (IRF)3333 , Uppsala, Svezia
E-mail: david.sundkvist@irfu.se

Philippe Escoubet,
ESA, Cluster Project Scientist
E-mail: philippe.escoubet @ esa.int

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