Quando il vento solare, che in realtà è una pioggia battente di particelle cariche provenienti dal sole, colpisce il campo magnetico protettivo della Terra, lo shock genera torbido, turbolenti campi magnetici che avvolgono il pianeta e si estendono per centinaia di migliaia di chilometri.

Dove va a finire tutta quell'energia turbolenta?

Una delle missioni meteorologiche spaziali della NASA, chiamato Multiscala Magnetosferica o MMS, ha scoperto un modo sorprendente di dissipare questa energia turbolenta:l'energia magnetica viene convertita in getti di elettroni ad alta velocità quando i campi magnetici si rompono e si riconnettono.

La scoperta aiuterà gli scienziati a capire il ruolo che la riconnessione magnetica gioca altrove nello spazio, Per esempio, nel riscaldare la corona solare inspiegabilmente calda, l'atmosfera esterna del sole, e nell'accelerare il vento solare supersonico. L'imminente missione Parker Solar Probe della NASA sarà lanciata direttamente verso il sole quest'estate per indagare esattamente su quei fenomeni, armati di questa nuova comprensione della riconnessione magnetica vicino alla Terra.

E poiché la riconnessione magnetica avviene in tutto l'universo, ciò che gli scienziati apprendono sul nostro pianeta, che è più facile da esaminare, può essere applicato ad altri processi più lontani.

"MMS ha scoperto la riconnessione magnetica degli elettroni, un nuovo processo molto diverso dalla riconnessione magnetica standard che avviene nelle aree più tranquille intorno alla Terra, " disse Tai Phan, un membro anziano del Laboratorio di Scienze Spaziali dell'Università della California, Berkeley. "Questa scoperta aiuta gli scienziati a capire come i campi magnetici turbolenti dissipano l'energia in tutto il cosmo".

Phan è l'autore principale di un articolo che descrive i risultati che sarà pubblicato questa settimana sulla rivista Natura .

"La turbolenza si verifica ovunque nello spazio:sul sole, nel vento solare, mezzo interstellare, dinamo, dischi di accrescimento intorno alle stelle, in getti di nuclei galattici attivi, shock residui di supernova e altro ancora, ", ha affermato Michael Shay dell'Università del Delaware, un coautore del documento.

I campi magnetici turbolenti sono diversi

La riconnessione magnetica standard è osservata nella magnetosfera relativamente placida della Terra, che è come un campo di forza magnetica che protegge il pianeta dall'intenso vento solare. All'interno di questa regione, campi magnetici ondulati possono attraversare, rompere e riconnettersi; le linee del campo magnetico riunite si spezzano come un elastico e lanciano atomi ionizzati ad alta velocità in tutta la magnetosfera.

I getti ionici, cunei di atomi di idrogeno ionizzato che accelerano in direzioni opposte, riscaldare i gas che circondano la Terra e guidare il clima spaziale. Alcune delle particelle cariche sono incanalate verso i poli nord e sud, dove si scontrano con gli atomi nell'atmosfera e creano le aurore.

Il nuovo processo avviene più lontano dalla superficie terrestre, in una zona turbolenta dove il vento solare colpisce un'onda d'urto che circonda la Terra e rallenta drasticamente. Due volte la larghezza della Terra stessa, questa zona - la magnetoguaina - è altamente turbolenta.

"La turbolenza nella magnetoguaina contiene molta energia magnetica, " ha detto Phan. "La gente ha discusso su come questa energia viene dissipata, e la riconnessione magnetica è uno dei processi possibili."

Phan e i suoi colleghi hanno usato i dati dell'MMS per dimostrare che il nuovo processo di riconnessione magnetica degli elettroni avviene su scala più piccola in turbolenza e crea getti di elettroni invece di ioni. Gli elettroni si muovono circa 40 volte più velocemente degli ioni accelerati dalla riconnessione standard.

"Ora abbiamo prove che la riconnessione dissipi energia turbolenta nella magnetoguaina, ma è un nuovo tipo di riconnessione, " disse Shay.

I campi magnetici possono essere troppo turbolenti per riconnettersi?

La riconnessione magnetica è stata osservata innumerevoli volte nella magnetosfera ma sempre in condizioni di calma. Il nuovo evento si è verificato nella magnetoguaina appena fuori dal confine esterno della magnetosfera. In precedenza, gli scienziati non sapevano se la riconnessione potesse avvenire lì, perché il plasma è altamente caotico in quella regione, ha detto Fan.

L'MMS ha scoperto che lo fa, ma su scale molto più piccole di quelle che i veicoli spaziali precedenti potrebbero sondare e la teoria potrebbe prevedere. Poiché coinvolge solo elettroni, è rimasto nascosto agli scienziati che cercavano la firma rivelatrice della riconnessione magnetica standard:i getti di ioni.

"Pensiamo che questo sia dovuto al fatto che gli elettroni sono veloci e leggeri e possono facilmente partecipare, ma i protoni lenti e pesanti non possono, " ha detto Jonathan Eastwood, un docente presso l'Imperial College di Londra e coautore del documento. "Globale, questo risultato apre nuove aree di ricerca sulla riconnessione turbolenta".

L'MMS consiste in quattro veicoli spaziali identici che volano in una formazione piramidale o tetraedrica per studiare la riconnessione magnetica attorno alla Terra in tre dimensioni. Poiché i veicoli spaziali volano incredibilmente vicini tra loro, a una distanza media di appena quattro miglia e mezzo, sono in grado di osservare fenomeni che nessuno ha mai visto prima. Per di più, Gli strumenti di MMS sono progettati per acquisire dati a velocità 100 volte superiori rispetto alle missioni precedenti.

Anche se gli strumenti a bordo dell'MMS sono incredibilmente veloci, sono ancora troppo lenti per catturare la turbolenta riconnessione in azione, che richiede l'osservazione di stretti strati di particelle in rapido movimento scagliate dalle linee del campo di rinculo. Rispetto alla riconnessione standard, in cui ampi getti di ioni fuoriescono dal sito di riconnessione, la riconnessione turbolenta espelle getti stretti di elettroni larghi solo un paio di miglia.

Ma gli scienziati dell'MMS sono stati in grado di sfruttare il design di uno strumento, l'indagine rapida sul plasma, per creare una tecnica che consentisse loro di leggere tra le righe e raccogliere punti dati aggiuntivi per risolvere i getti.

"L'evento chiave del documento avviene in 45 millisecondi. Questo sarebbe un punto dati con i dati regolari, "ha detto Amy Rager, uno studente laureato presso la Catholic University of America a Washington, DC, che ha lavorato al Goddard Space Flight Center della NASA per sviluppare la tecnica. "Ma invece possiamo ottenere da sei a sette punti dati in quella regione con questo metodo, permettendoci di capire cosa sta succedendo".

Con il nuovo metodo, gli scienziati dell'MMS sperano di poter setacciare i set di dati esistenti per trovare altri di questi eventi, e potenzialmente anche altre scoperte inaspettate.