Un campo magnetico dipolare, creato da una corrente ad anello, è il tipo più fondamentale di campo magnetico che si trova sia nei laboratori che nello spazio. Le magnetosfere planetarie, come quella di Giove, confinano efficacemente il plasma.
Il progetto RT-1 mira a imparare dalla natura e creare un plasma ad alte prestazioni di tipo magnetosfera per realizzare energia di fusione avanzata. Allo stesso tempo, la magnetosfera artificiale offre un mezzo per comprendere sperimentalmente i meccanismi dei fenomeni naturali in un ambiente semplificato e controllato.
Il Ring Trap-1 (RT-1) è un apparato sperimentale situato presso l'Università di Tokyo. Utilizzando la tecnologia superconduttrice ad alta temperatura, una bobina di campo dipolare viene fatta levitare magneticamente, consentendo di condurre esperimenti sul plasma in un ambiente vicino a quello della magnetosfera planetaria.
L'emissione di coro in modalità fischio, osservata nello spazio circostante la Terra, noto come "Geospazio", è un fenomeno importante legato alle aurore e alla meteorologia spaziale. L'emissione del coro è stata studiata attivamente principalmente attraverso osservazioni di veicoli spaziali, studi teorici e simulazioni numeriche.
Sebbene i veicoli spaziali siano strumenti potenti per studiare l’ambiente spaziale reale, la magnetosfera planetaria è un sistema enorme e complesso, difficile da comprendere nella sua interezza. Inoltre, non è facile per gli esseri umani manipolare l'ambiente spaziale.
Al contrario, le impostazioni di laboratorio ci consentono di creare un oggetto di ricerca semplificato che viene estratto dalle complesse proprietà della natura in un ambiente controllato. Pertanto, si prevede che gli studi sperimentali svolgano un ruolo complementare nell'osservazione e nella teoria della comprensione delle emissioni del coro. Tuttavia, non è semplice creare un ambiente magnetosferico in laboratorio. Finora non sono mai stati condotti esperimenti di laboratorio sulle emissioni di coro in un campo magnetico di dipolo magnetosferico.
Un gruppo di ricerca dell'Istituto Nazionale per la Scienza della Fusione di Toki, in Giappone, e della Graduate School of Frontier Sciences dell'Università di Tokyo a Kashiwa, in Giappone, ha condotto con successo studi di laboratorio sull'emissione del coro in modalità fischio utilizzando il dispositivo RT-1. Questa "magnetosfera artificiale" ha una bobina superconduttiva levitata magneticamente per creare un campo magnetico dipolare simile alla magnetosfera planetaria in laboratorio.
Utilizzando la tecnologia superconduttrice ad alta temperatura, una bobina da 110 kg viene fatta levitare magneticamente in un recipiente a vuoto e il campo magnetico generato confina il plasma. Questa configurazione unica consente il funzionamento senza strutture di supporto meccanico alla bobina, rendendo possibile generare plasma in un ambiente simile a quello di una magnetosfera planetaria, anche all'interno di una struttura a terra.
In questo studio, il gruppo di ricerca ha riempito il recipiente a vuoto dell'RT-1 con gas idrogeno e ha iniettato microonde per creare plasma di idrogeno ad alte prestazioni, principalmente riscaldando gli elettroni.
Negli esperimenti sono stati generati plasmi in vari stati e sono state effettuate indagini sulla generazione delle onde. Di conseguenza, è stata osservata una produzione spontanea dell'emissione del coro dell'onda fischiante quando il plasma conteneva un rapporto considerevole di elettroni ad alta temperatura.
Sono state inoltre effettuate misurazioni dell'intensità e della frequenza dell'emissione del coro dal plasma, concentrandosi sulla sua densità e sullo stato degli elettroni ad alta temperatura.
I risultati, pubblicati su Nature Communications , ha rivelato che la generazione di un'emissione corale è guidata da un aumento degli elettroni ad alta temperatura, responsabili della pressione del plasma. Inoltre, l'aumento della densità complessiva del plasma ha avuto l'effetto di sopprimere la generazione dell'emissione del coro.
Attraverso questo studio, è stato chiarito che l’emissione chorus è un fenomeno universale che si verifica nel plasma con elettroni ad alta temperatura in un semplice campo magnetico dipolare. Le proprietà rivelate nell'esperimento, comprese le condizioni di apparenza e la propagazione delle onde, potrebbero migliorare la nostra comprensione dell'emissione del coro e dei fenomeni correlati osservati nel geospazio.
Le onde elettromagnetiche di un'emissione di coro hanno il potenziale di accelerare ulteriormente gli elettroni caldi verso stati energetici più elevati, portando alla formazione di aurore e guasti ai satelliti. Queste onde elettromagnetiche, insieme alle particelle energetiche, svolgono un ruolo cruciale nei fenomeni meteorologici spaziali.
Nel geospazio, quando si verificano eventi esplosivi (flares) sulla superficie solare, danno origine a tempeste magnetiche, provocando grandi fluttuazioni nel campo elettromagnetico e generando grandi quantità di particelle energetiche. Ciò non solo causa guasti ai satelliti e ha un impatto sullo strato di ozono, ma è noto anche per interrompere le reti elettriche e di comunicazione a terra.
Con l’odierna espansione dell’attività umana, la comprensione dei fenomeni meteorologici spaziali è diventata sempre più importante. Tuttavia, numerosi meccanismi e fenomeni in questo ambito rimangono irrisolti. Si prevede che il risultato di questo studio contribuirà a una migliore comprensione dei meccanismi alla base dei diversi fenomeni meteorologici spaziali.
Nel campo del plasma di fusione, che mira a risolvere in definitiva i problemi energetici, la perdita di particelle e la formazione di strutture dovuta all'interazione con le onde è uno dei temi centrali della ricerca. Una comprensione precisa delle complesse interazioni tra onde spontaneamente eccitate e plasma è essenziale per ottenere la fusione.
Fenomeni ondulatori con variazioni di frequenza sono stati ampiamente osservati nei plasmi di fusione ad alta temperatura, indicando l'esistenza di un meccanismo fisico condiviso con l'emissione chorus.
I risultati di questo studio rappresentano un passo avanti nella comprensione dei fenomeni fisici comuni riscontrati sia nei plasmi di fusione che in quelli spaziali. Si prevede che la ricerca futura progredirà ulteriormente con una maggiore cooperazione tra questi due campi.>
Le onde di Whistler sono una delle onde fondamentali che si propagano nel plasma. Nelle emissioni di coro osservate attorno al geospazio e a Giove, si verificano ripetutamente eventi di fluttuazione con variazioni di frequenza simili al canto degli uccelli. Si ritiene che siano strettamente correlati alle aurore e ai fenomeni meteorologici spaziali, come la produzione e il trasporto di elettroni ad alta energia.
Ulteriori informazioni: Haruhiko Saitoh et al, Studio sperimentale sull'emissione di cori in una magnetosfera artificiale, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44977-x
Fornito da National Institutes of Natural Sciences
