Utilizzando dati in situ senza precedenti dalla missione Cluster dell'ESA, gli scienziati hanno fatto luce sulla natura in continua evoluzione dello scudo terrestre contro le radiazioni cosmiche, il suo colpo d'arco, rivelando come questo acceleratore di particelle trasferisce e ridistribuisce l'energia nello spazio.

Il nuovo studio ha utilizzato le osservazioni di due dei quattro veicoli spaziali della missione Cluster, che volarono in formazione stretta attraverso l'urto di prua della Terra, seduti a soli 7 chilometri di distanza.

I dati sono stati raccolti il ​​24 gennaio 2015 a distanza di 90, 000 chilometri dalla Terra, a circa un quarto della strada per la Luna, e rivelano proprietà dell'urto dell'arco che in precedenza non erano chiare a causa della mancanza di misurazioni in situ così ravvicinate.

Quando un flusso supersonico incontra un ostacolo, si forma uno shock. Questo si vede spesso nell'universo intorno alle stelle, resti di supernova, comete, e pianeti, compreso il nostro. Gli shock sono noti per essere acceleratori di particelle molto efficienti, e potenzialmente responsabile della creazione di alcune delle particelle più energetiche dell'universo.

Lo shock intorno alla Terra, noto come lo shock dell'arco, è la nostra prima linea di difesa contro le particelle che si riversano verso l'interno dal cosmo, e il nostro banco di prova più vicino per studiare la dinamica degli shock al plasma. Esiste a causa dell'alto, velocità supersoniche delle particelle del vento solare, che creano un fenomeno in qualche modo simile all'onda d'urto che si forma quando un aereo rompe la barriera della velocità del suono.

Il nuovo studio, pubblicato oggi in Progressi scientifici , rivela i meccanismi in gioco quando questo shock trasferisce energia da un tipo all'altro.

"L'arco della Terra è un laboratorio di shock naturale e ideale, " afferma l'autore principale Andrew Dimmock dell'Istituto svedese di fisica spaziale di Uppsala, Svezia.

"Grazie a missioni come Cluster, siamo in grado di posizionare più veicoli spaziali all'interno e intorno ad esso, coprendo scale da centinaia a pochi chilometri.

"Ciò significa che possiamo distinguere come cambia lo shock nello spazio e nel tempo, qualcosa che è cruciale quando si caratterizza uno shock di questo tipo."

Esistono diversi tipi di shock, definiti dai modi in cui trasferiscono l'energia cinetica in altri tipi di energia. Nell'atmosfera terrestre, l'energia cinetica viene trasformata in calore quando le particelle si scontrano l'una con l'altra, ma le grandi distanze in gioco allo shock di prua del nostro pianeta significano che le collisioni di particelle non possono svolgere un ruolo simile nel trasferimento di energia lì, perché sono semplicemente troppo distanti.

Questo tipo di shock è quindi noto come shock senza collisioni. Tali shock possono esistere su una vasta gamma di scale, da millimetri fino alle dimensioni di un ammasso di galassie, e invece trasferire energia tramite processi che coinvolgono onde di plasma e campi elettrici e magnetici.

"Oltre ad essere senza collisioni, L'urto dell'arco terrestre può anche essere non stazionario, " aggiunge il coautore Michael Balikhin dell'Università di Sheffield, UK.

"In un modo, si comporta come un'onda nel mare:come un'onda si avvicina alla spiaggia, sembra crescere di dimensioni man mano che la profondità diminuisce, fino a quando non si rompe - questo perché la cresta dell'onda si muove più velocemente della depressione, facendolo piegare e rompersi.

"Questo tipo di 'rottura' si verifica per le onde di plasma, pure, anche se la fisica è un po' più complicata."

Per indagare in dettaglio le scale fisiche a cui viene avviata questa rottura dell'onda – qualcosa che era precedentemente sconosciuto – i ricercatori hanno sollecitato una campagna speciale in cui due delle quattro sonde Cluster sono state spostate a una distanza senza precedenti di meno di 7 km, raccogliere dati ad alta risoluzione dall'interno dello shock stesso.

Analizzando i dati, il team ha scoperto che le misurazioni del campo magnetico ottenute dai due veicoli spaziali Cluster differivano in modo significativo. Questa prova diretta che esistono strutture di campo magnetico su piccola scala all'interno dell'estensione più ampia dell'urto di prua indica che sono fondamentali per facilitare la rottura delle onde di plasma, e quindi il trasferimento di energia, in questa porzione della magnetosfera.

Con dimensioni di pochi chilometri, simile alle scale in cui gli elettroni ruotano attorno alle linee del campo magnetico, queste strutture si trovano in una parte particolarmente sottile e variabile dell'ammortizzatore, dove le proprietà del plasma costituente e dei campi circostanti possono cambiare più drasticamente.

"Questa parte dell'ammortizzatore dell'arco è nota come rampa d'urto, e può essere sottile come pochi chilometri - una scoperta che si basava anche sui dati di Cluster alcuni anni fa, ", afferma il coautore Philippe Escoubet, che è anche scienziato del progetto ESA per la missione Cluster.

Lanciato nel 2000, I quattro veicoli spaziali di Cluster volano in formazione intorno alla Terra, rendendola la prima missione spaziale in grado di studiare, in tre dimensioni, i processi fisici che si verificano all'interno e nelle immediate vicinanze dell'ambiente magnetico terrestre.

"Questo tipo di studio mostra davvero l'importanza di Cluster come missione, " aggiunge Escoubet. "Ottenendo separazioni di veicoli spaziali incredibilmente piccole - sette chilometri come usati in questo studio e anche più piccoli, fino a soli tre chilometri:Cluster ci consente di sondare l'ambiente magnetico del nostro pianeta alle scale più piccole mai raggiunte.

"Questo fa avanzare la nostra comprensione dello shock d'arco della Terra e di come agisce come un gigantesco acceleratore di particelle, qualcosa che è fondamentale per la nostra conoscenza dell'universo ad alta energia".