Per la prima volta, gli scienziati hanno stimato quanta energia viene trasferita da grande a piccola scala all'interno della magnetoguaina, la regione di confine tra il vento solare e la bolla magnetica che protegge il nostro pianeta. Sulla base dei dati raccolti dal Cluster dell'ESA e dalle missioni THEMIS della NASA nel corso di diversi anni, lo studio ha rivelato che la turbolenza è la chiave, rendendo questo processo cento volte più efficiente che nel vento solare.

I pianeti del Sistema Solare, compresa la nostra Terra, sono bagnati dal vento solare, un flusso supersonico di energia altamente, particelle cariche rilasciate inesorabilmente dal Sole. Il nostro pianeta e pochi altri si distinguono in questo flusso di particelle onnipervadente:questi sono i pianeti che hanno un proprio campo magnetico, e quindi rappresentano un ostacolo alla potenza travolgente del vento solare.

È l'interazione tra il campo magnetico terrestre e il vento solare che crea l'intricata struttura della magnetosfera, una bolla protettiva che protegge il nostro pianeta dalla stragrande maggioranza delle particelle del vento solare.

Finora, gli scienziati hanno raggiunto una comprensione abbastanza buona dei processi fisici che avvengono nel plasma del vento solare e nella magnetosfera. Però, mancano ancora molti aspetti importanti per quanto riguarda l'interazione tra questi due ambienti e per la regione altamente turbolenta che li separa, noto come magnetoguaina, dove si sospetta che si svolga la maggior parte dell'azione interessante.

"Per imparare come l'energia viene trasferita dal vento solare alla magnetosfera, dobbiamo capire cosa succede nella magnetoguaina, la "zona grigia" tra di loro, "dice Lina Zafer Hadid, dell'Istituto Svedese di Fisica Spaziale di Uppsala, Svezia.

Lina è l'autrice principale di un nuovo studio che quantifica, per la prima volta, il ruolo della turbolenza nella magnetoguaina. I risultati sono pubblicati oggi in Lettere di revisione fisica .

"Nel vento solare, sappiamo che la turbolenza contribuisce alla dissipazione di energia da grandi scale di centinaia di migliaia di chilometri a scale più piccole di un chilometro, dove le particelle di plasma vengono riscaldate e accelerate a energie più elevate, " spiega il co-autore Fouad Sahraoui del Laboratorio di Fisica del Plasma in Francia.

"Sospettavamo che un meccanismo simile dovesse essere in gioco anche nella magnetoguaina, ma non abbiamo mai potuto testarlo fino ad ora, " Aggiunge.

Il plasma magnetoguaina è più turbolento, ospita un grado maggiore di fluttuazioni di densità e può essere compresso in misura molto più elevata rispetto al vento solare. Come tale, è sostanzialmente più complesso, e gli scienziati solo negli ultimi anni hanno sviluppato il quadro teorico per studiare i processi fisici che avvengono in un tale ambiente.

Lina, Fouad e i loro collaboratori hanno setacciato un vasto volume di dati raccolti tra il 2007 e il 2011 dai quattro veicoli spaziali del Cluster dell'ESA e due dei cinque veicoli spaziali delle missioni THEMIS della NASA, che volano in formazione attraverso l'ambiente magnetico terrestre.

Quando hanno applicato gli strumenti teorici recentemente sviluppati al loro campione di dati, avevano una grande sorpresa.

"Abbiamo scoperto che la densità e le fluttuazioni magnetiche causate dalla turbolenza all'interno della magnetoguaina amplificano la velocità con cui l'energia scende a cascata da scale grandi a piccole di almeno cento volte rispetto a quanto osservato nel vento solare, " spiega Lina.

Il nuovo studio indica che circa 10-13 J di energia vengono trasferiti per metro cubo ogni secondo in questa regione dell'ambiente magnetico terrestre.

"Ci aspettavamo che la turbolenza comprimibile avrebbe avuto un impatto sul trasferimento di energia nel plasma magnetoguaina, ma non che sarebbe così significativo, "aggiunge.

Inoltre, gli scienziati sono riusciti a ricavare una correlazione empirica che lega la velocità con cui l'energia viene dissipata nella magnetoguaina con la quarta potenza di un'altra grandezza usata per studiare il moto dei fluidi, il cosiddetto numero di Mach turbolento. Prende il nome dal fisico austriaco Ernst Mach, quantifica la velocità delle fluttuazioni in un flusso rispetto alla velocità del suono in quel fluido, indicando se un flusso è subsonico o supersonico.

Mentre la velocità di trasferimento dell'energia è difficile da determinare a meno che non si utilizzino sonde spaziali che effettuano misurazioni in situ, come la navicella spaziale Cluster che campiona il plasma intorno alla Terra, il numero di Mach può essere stimato più facilmente utilizzando osservazioni remote di una varietà di plasmi astrofisici oltre il regno del nostro pianeta.

"Se questa relazione empirica risulta essere universale, sarà estremamente utile per esplorare il plasma cosmico che non può essere sondato direttamente con i veicoli spaziali, come il mezzo interstellare che pervade la nostra Via Lattea e altre galassie, "dice Fouad.

Gli scienziati non vedono l'ora di confrontare i loro risultati con le misurazioni del plasma che circonda altri pianeti del Sistema Solare con un campo magnetico intrinseco, ad esempio utilizzando la missione Juno della NASA, attualmente a Giove, e il futuro Jupiter Icy Moons Explorer dell'ESA, e anche la missione congiunta ESA-JAXA BepiColombo su Mercurio, il cui lancio è previsto entro la fine dell'anno.

"È molto eccitante che uno studio basato su diversi anni di dati di Cluster abbia trovato la chiave per affrontare un importante, lunga domanda irrisolta nella fisica del plasma, "dice Philippe Escoubet, Scienziato del progetto Cluster presso l'ESA.