Mentre la Terra orbita intorno al sole a velocità supersonica, taglia un percorso attraverso il vento solare. Questo veloce flusso di particelle cariche, o plasma, lanciato dagli strati esterni del sole bombarderebbe l'atmosfera terrestre se non fosse per la protezione del campo magnetico terrestre.

Proprio come un motoscafo crea un'onda a forma di arco davanti a sé mentre lo scafo spinge attraverso l'acqua, La Terra crea un effetto simile, chiamato shock d'arco, mentre spinge attraverso il vento solare. Gli scienziati hanno cercato di spiegare come il campo magnetico terrestre possa spingere da parte il potente vento solare senza scatenare calamità. Conoscono parte della risposta da molto tempo:l'urto di prua converte l'energia del vento solare in calore immagazzinato in elettroni e ioni. Ma ora, i ricercatori hanno nuovi importanti indizi su come si verifica questo processo.

Uno studio condotto dall'Università del Maryland descrive le prime osservazioni del processo di riscaldamento degli elettroni nello shock dell'arco terrestre. I ricercatori hanno scoperto che quando gli elettroni nel vento solare incontrano lo shock di prua, accelerano momentaneamente a una velocità così elevata che il flusso di elettroni diventa instabile e si rompe. Questo processo di degradazione priva gli elettroni della loro alta velocità e converte l'energia in calore.

I risultati aggiungono un'importante nuova dimensione alla comprensione da parte degli scienziati del campo magnetico terrestre e della sua capacità di proteggere il pianeta da particelle e radiazioni nocive. Il documento di ricerca è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica il 31 maggio 2018.

"Se dovessi stare in cima a una montagna, potresti essere travolto da un vento veloce, " ha spiegato Li-Jen Chen, autore principale dello studio e ricercatore associato presso il Dipartimento di Astronomia dell'UMD. "Fortunatamente, mentre il vento solare si schianta contro il campo magnetico terrestre, l'urto di prua ci protegge rallentando questo vento e trasformandolo in un bel, brezza calda. Ora abbiamo un'idea migliore di come ciò accada".

Gli scienziati hanno ottenuto i loro dati dalla missione Magnetospheric Multiscale (MMS) della NASA. La missione MMS consiste in quattro satelliti identici che trasportano strumenti per studiare la fisica del campo magnetico terrestre mentre interagisce con il vento solare. I satelliti hanno ottenuto misurazioni tridimensionali ogni 30 millisecondi, risultando in centinaia di misurazioni all'interno dello strato d'urto dell'arco. Questi ad alta frequenza, misurazioni precise della missione MMS erano fondamentali per lo studio.

"Le misurazioni estremamente veloci dell'MMS ci hanno permesso finalmente di vedere il processo di riscaldamento degli elettroni nel sottile strato d'urto, " ha detto Thomas Moore, uno scienziato senior del progetto presso il Goddard Space Flight Center della NASA e coautore dello studio. "Questo è rivoluzionario perché ora abbiamo la capacità di identificare il meccanismo in funzione, invece di limitarsi ad osservarne le conseguenze."

Gli scienziati sanno da tempo che l'arco elettrico è in qualche modo in grado di convertire l'energia negli elettroni in calore senza collisioni dirette tra gli elettroni. Ciò significa che l'attrito, un modo comune per generare calore qui sulla Terra, non è responsabile del riscaldamento degli elettroni nello shock dell'arco.

"Le nuove osservazioni sull'accelerazione degli elettroni allo shock di prua riscrivono l'attuale comprensione del riscaldamento degli elettroni, " disse Chen, che è anche ricercatore presso il Goddard Space Flight Center della NASA. "Per esempio, i ricercatori non si aspettavano che lo shock dell'arco potesse accelerare il flusso di elettroni del vento solare alle velocità che abbiamo osservato».

In una fase precedente della missione MMS, i satelliti in genere orbitano molto più vicini alla Terra, quindi di solito mancavano lo shock dell'arco. Però, un'inaspettata esplosione di vento solare ha spinto l'urto di prua più vicino alla Terra, consentendo ai satelliti di acquisire dati rari e informativi.

Cogliendo questo vantaggio, i ricercatori hanno osservato prima il flusso di elettroni del vento solare, durante e dopo l'incontro con lo shock dell'arco. Il flusso di elettroni accelerato dallo shock ha impiegato solo 90 millisecondi per destabilizzarsi e rompersi completamente.

"Lo studio del riscaldamento degli elettroni è importante non solo per capire come lo shock dell'arco protegge la Terra, ma potenzialmente per i satelliti, viaggiare nello spazio e magari esplorare altri pianeti in futuro, " disse Chen.

Dando la prima immagine chiara di cosa stanno facendo gli elettroni all'urto di prua, Chen e i suoi collaboratori sperano di incoraggiare altri scienziati a eseguire simulazioni al computer, ulteriori osservazioni spaziali ed esperimenti di laboratorio sul riscaldamento degli elettroni. Chen non vede l'ora di approfondire ulteriormente i meccanismi con cui l'urto d'arco accelera il flusso di elettroni.

"Tipicamente, gli scienziati hanno simulazioni o teorie per prevedere cosa sta succedendo e poi progettano esperimenti per misurarlo, Chen ha detto. "Questa volta è il contrario:la misurazione è venuta prima. La simulazione e la teoria dovranno recuperare il ritardo".