TERRA: LE FASCE DI RADIAZIONI DI VAN ALLEN . by Andreotti Roberto - INSA.

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Aggiornato il 29/01/2020

LE FASCE DI VAN ALLEN

Introduzione:
Una Fascia di radiazione Van Allen è una zona di particelle cariche di energia , la maggior parte delle quali provengono dal vento solare , che vengono catturate e trattenute intorno a un pianeta dal campo magnetico di quel pianeta .

La Terra ha due di queste fasce e talvolta altre possono essere create temporaneamente.
La scoperta è attribuita a James Van Allen e, di conseguenza, quelle della Terra sono note come Fasce di Van Allen .

Le due principali della Terra si estendono da un'altitudine di circa 640 a 58.000 km , sopra la superficie in cui i livelli della radiazione nella regione variano. Si pensa che la maggior parte delle particelle che formano le Fasce provengano dal vento solare e altre particelle dai raggi cosmici. Intrappolando il vento solare, il campo magnetico devia quelle particelle energetiche e protegge l'atmosfera dalla distruzione.

Le Fasce si trovano nella regione interna della magnetosfera terrestre, ed intrappolano elettroni e protoni energetici, mentre altri nuclei, come le particelle alfa , sono meno diffusi.
Le Fasce mettono in pericolo i satelliti , che devono proteggere i loro componenti sensibili con un'adeguata schermatura se trascorrono molto tempo vicino a quella zona.
Nel 2013, la NASA riferì che le sonde Van Allen Probes avevano scoperto una terza fascia di radiazione transitoria, che è stata osservata per quattro settimane fino a quando non è stata distrutta da una potente onda di shock interplanetaria proveniente dal Sole .

Scoperta:
Kristian Birkeland , Carl Størmer e Nicholas Christofilos avevano studiato la possibilità che particelle cariche restassero intrappolate dal campo magnetico, già prima dell'era spaziale .
Explorer 1 e Explorer 3 hanno poi confermato l'esistenza della fascia nei primi mesi del 1958 con James Van Allen presso l'University of Iowa .
La radiazione intrappolata è stata inizialmente mappata da Explorer 4 , Pioneer 3 e Luna 1 .
Il termine Fasce di Van Allen si riferisce specificamente alle cinture di radiazione che circondano la Terra, ma tuttavia, simili fasce di radiazione sono state scoperte attorno anche ad altri pianeti dotati di campo magnetico .
Il sole non supporta fasce di radiazione a lungo termine, in quanto manca di un campo dipolo globale stabile, mentre quello terrestre limita particelle nelle regioni sopra 200-1.000 km, ma le Fasce non si estendono oltre 8 raggi terrestri.
Le Fasce sono limitate a un volume che si estende per circa 65° su entrambi i lati dell'equatore celeste.

Fascia interna:
La cintura interna di Van Allen si estende tipicamente da un'altitudine di 0,2 a 2 raggi terrestri, o da 1.000 km a 12.000 km sopra la Terra.
In alcuni casi in cui l'attività solare è più forte o in aree geografiche come l'anomalia dell'Atlantico meridionale , il confine interno può diminuire a circa 200 chilometri sopra la superficie terrestre.
La Fascia interna contiene alte concentrazioni di elettroni nell'intervallo di centinaia di keV e protoni energetici con energie superiori a 100 MeV, intrappolate dai forti campi magnetici.
Si ritiene che le energie protoniche superiori a 50 MeV nelle fasce inferiori ad altitudini più basse siano il risultato del decadimento beta dei neutroni creato dalle collisioni dei raggi cosmici con i nuclei dell'atmosfera superiore.
Si ritiene che la fonte dei protoni a bassa energia sia la diffusione dei protoni a causa dei cambiamenti nel campo magnetico durante le tempeste geomagnetiche.
A causa del leggero scostamento delle fasce dal centro geometrico della Terra, la cintura interna di Van Allen si avvicina alla superficie nell'Anomalia del Sud Atlantico.
Nel marzo 2014, un modello simile a "strisce zebrate" è stato osservato nelle fasce di radiazione dall'esperimento di composizione ionica (RBSPICE) fatto delle sonde nella cinghia di radiazione di Van Allen .
La teoria iniziale proposta nel 2014 è stata che a causa dell'inclinazione dell'asse del campo magnetico terrestre, la rotazione del pianeta abbia generato un campo elettrico oscillante e debole che permea attraverso l'intera fascia di radiazione interna, ma uno studio successivo, del 2016 ha invece concluso che le strisce zebrate erano un'impronta dei venti ionosferici sulle fasce di radiazione.

Fascia esterna:
La Fascia esterna è costituita principalmente da elettroni ad alta energia (0,1-10  MeV ) intrappolati dalla magnetosfera terrestre. È più variabile di quella interna in quanto è più facilmente influenzata dall'attività solare.
Ha una forma quasi toroidale , a partire da un'altitudine di tre e si estende fino a dieci raggi terrestri, da 13.000 a 60.000 chilometri, sopra la superficie terrestre.
La sua massima intensità è solitamente circa 4-5 raggi terrestri .
La fascia di radiazione elettronica esterna è principalmente prodotta dalla diffusione radiale verso l'interno e dall'accelerazione locale dovuta al trasferimento di energia dalle onde del plasma in modalità whistler (fischio) agli elettroni della fascia di radiazione. Gli elettroni della cintura di radiazione vengono inoltre costantemente rimossi da collisioni con l'atmosfera terrestre, perdita a causa della magnetopausa e loro diffusione radiale verso l'esterno. I giroradi dei protoni energetici sarebbero abbastanza grandi da metterli in contatto con l'atmosfera terrestre. All'interno di questa fascia, gli elettroni hanno un flusso elevato e sul bordo esterno (vicino alla magnetopausa), dove le linee di campo geomagnetico si aprono nella "coda" geomagnetica , il flusso di elettroni energetici può scendere ai bassi livelli interplanetari entro circa 100 km, con una diminuzione di un fattore di 1.000.
Nel 2014 è stato scoperto che il bordo interno della cintura esterna è caratterizzato da una transizione molto acuta, al di sotto della quale gli elettroni altamente relativistici (> 5 MeV) non possono penetrare. La ragione di questo comportamento simile a uno scudo non è ben compresa.
La popolazione di particelle intrappolate nella Fascia esterna è varia, contenente elettroni e vari ioni. La maggior parte degli ioni ha la forma di protoni energetici, ma una certa percentuale sono particelle alfa e ioni di ossigeno O+ , simili a quelle della ionosfera ma sono molto più energiche. Questa miscela di ioni suggerisce che le particelle della corrente dell'anello provengono probabilmente da più di una fonte.
La Fascia esterna è più grande di quella interna e la sua popolazione di particelle fluttua ampiamente. I flussi di particelle energetiche (radiazioni) possono aumentare e diminuire drasticamente in risposta a tempeste geomagnetiche , che sono esse stesse innescate dal campo magnetico e dai disturbi del plasma prodotti dal Sole (vedi sotto). Gli aumenti sono dovuti alle iniezioni legate alla tempesta e all'accelerazione delle particelle dalla coda della magnetosfera.

Terza fascia transitoria:
Il 28 febbraio 2013 , è stata segnalata la scoperta di una terza fascia di radiazioni, costituita da particelle cariche ultrarelativistiche ad alta energia .
In una conferenza stampa del team Van Allen Probe della NASA, è stato affermato che questa terza fascia è un prodotto dell'espulsione di massa coronale dal sole.
È stata rappresentata come una creazione separata che divide la cintura esterna, come un coltello, sul suo lato esterno, ed esiste separatamente come un contenitore di stoccaggio di particelle per un mese, prima di fondersi nuovamente con la cintura esterna.
L'insolita stabilità di questa terza fascia transitoria è stata spiegata come dovuta a un 'intrappolamento' da parte del campo magnetico terrestre di particelle ultrarelativistiche che si perdono dalla seconda fascia esterna tradizionale.
Mentre la zona esterna, che si forma e scompare nel corso di un giorno, è altamente variabile a causa delle interazioni con l'atmosfera, si ritiene che le particelle ultrarelativistiche della terza fascia non si disperdano nell'atmosfera, poiché sono troppo energiche per interagire con le onde atmosferiche a basse latitudini. Questa assenza di dispersione e intrappolamento consente loro di persistere a lungo, alla fine viene distrutta solo da un evento insolito, come l'onda d'urto del Sole.

Valori di flusso:
Nelle fasce, in un dato punto, il flusso di particelle di una data energia diminuisce drasticamente con l'energia stessa.

All'equatore magnetico , gli elettroni di energie superiori a 5000 keV , presentano flussi omnidirezionali che vanno da :
1,2 x 10E6 (risp. 3,7 × 10E4)
fino a :
9,4 × 10E9 (risp. 2 × 10E7) particelle per centimetro quadrato al secondo.
Le fasce protoniche contengono protoni con energie cinetiche che vanno da circa 100 keV, che possono penetrare 0,6 µm di piombo , ad altre più rare che ad oltre 400 MeV, che possono penetrare fino a 143 mm di piombo.
La maggior parte dei valori di flusso pubblicati per le fasce interne ed esterne potrebbe non mostrare le densità di flusso massime probabili possibili.
C'è una ragione per questa discrepanza: la densità del flusso e la posizione del flusso di picco sono variabili, a seconda principalmente dell'attività solare, e il numero di veicoli spaziali con strumenti che osservano la fascia in tempo reale è stato limitato.
La Terra, ultimamente, e per fortuna, non ha sperimentato una tempesta solare di intensità e durata dell'evento Carrington del 1858 , mentre erano disponibili veicoli spaziali con gli strumenti adeguati per osservare l'evento.

Limitati rischi per l'uomo:
I livelli di radiazione nelle fasce sarebbero pericolosi per l'uomo se fossero esposti per un lungo periodo di tempo, come è pericoloso farsi una radiografia ogni giorno.
Le missioni Apollo, difatti hanno minimizzato i rischi per gli astronauti inviando veicoli spaziali ad alta velocità attraverso le aree più sottili delle fasce superiori, by-passando completamente le fasce interne, ad eccezione della missione Apollo 14 in cui la navicella spaziale viaggiava attraverso il cuore delle fasce di radiazioni, e comunque ne sono rapidamente passati indenni.
L'esposizione complessiva degli astronauti era in realtà dominata dalle particelle solari una volta al di fuori del campo magnetico terrestre. La radiazione totale ricevuta dagli astronauti variava da una missione all'altra, ma è stata misurata tra 0,16 e 1,14 rad (1,6 e 11,4  mGy), molto inferiore allo standard di 5 rem (50 mSv) all'anno stabilito dagli Stati Uniti per le persone che lavorano con la radioattività.

Implicazioni al passaggio di veicoli 
con o senza equipaggio:
I veicoli spaziali che viaggiano oltre l'orbita terrestre bassa entrano nella zona di radiazione delle Fasce di Van Allen. Oltre ad esse, affrontano rischi aggiuntivi dovuti ai raggi cosmici e agli eventi dovuti alle particelle solari .

Una regione tra le fasce interne ed esterne di Van Allen si trova a due o quattro raggi terrestri e viene talvolta definita "zona sicura".
Le celle solari , i circuiti integrati e i sensori possono essere danneggiati dalle radiazioni.
Le tempeste geomagnetiche occasionalmente danneggiano i componenti elettronici dei veicoli spaziali. La miniaturizzazione e la digitalizzazione dei circuiti elettronici e logici hanno reso i satelliti più vulnerabili alle radiazioni, poiché la carica elettrica totale in questi circuiti è ora abbastanza piccola da essere comparabile con la carica degli ioni in arrivo.
L'elettronica sui satelliti deve essere indurita e protetta contro le radiazioni per funzionare in modo affidabile. Il telescopio spaziale Hubble , tra gli altri satelliti, ha spesso i suoi sensori spenti quando passa attraverso regioni di radiazione intensa. Un satellite schermato da 3 mm di alluminio in un'orbita ellittica (320 per 32.190 km), che passa attraverso le fasce di radiazione riceverà circa 2.500 rem (25  Sv) all'anno, (per confronto, per un corpo umano la dose di 5 Sv è mortale).
Quasi tutte le radiazioni verranno ricevute mentre si passa la Fascia interna, che può essere facilmente evitata, vista la sua piccola estensione.

Origine:
Resta generalmente inteso che le fasce interne ed esterne di Van Allen derivano da diversi processi.

 - La Fascia interna, costituita principalmente da protoni energetici, è il prodotto del decadimento dei cosiddetti neutroni " albedo " che sono essi stessi il risultato di collisioni di raggi cosmici nell'atmosfera superiore.
Nella Fascia interna, le particelle che hanno origine dal Sole sono intrappolate nel campo magnetico terrestre. Le particelle si muovono a spirale lungo le linee magnetiche del flusso mentre si muovono "longitudinalmente" lungo quelle linee. Mentre le particelle si muovono verso i poli, la densità della linea del campo magnetico aumenta e la loro velocità "longitudinale" viene rallentata e può essere invertita, riflettendo la particella e facendole rimbalzare avanti e indietro tra i poli della Terra. Oltre alla spirale attorno e al movimento lungo le linee di flusso, gli elettroni si muovono lentamente in direzione est, mentre gli ioni si muovono verso ovest.

 - La Fascia esterna è costituita principalmente da elettroni. Vengono iniettati dalla coda geomagnetica a seguito di tempeste geomagnetiche e successivamente vengono energizzati attraverso le interazioni onda-particella .

 - Uno spazio tra le cinture interne ed esterne di Van Allen, a volte chiamato zona sicura o slot sicuro, è causato dalle onde a frequenza molto bassa (VLF) che disperdono particelle nell'angolo di intonazione che si traduce nel guadagno di particelle nell'atmosfera.
Le esplosioni solari possono pompare particelle in questo spazio ma si scaricano di nuovo nel giro di pochi giorni.
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A cura di Andreotti Roberto.