Quando un'aurora non è un'aurora

Studi recenti suggeriscono che, nonostante il suo aspetto simile a un’aurora, i fenomeni “Steve” e “picket fence” potrebbero non essere guidati dalla precipitazione di particelle magnetosferiche ma piuttosto da campi elettrici locali paralleli al campo magnetico terrestre. Le scintillanti velature verdi, rosse e viola delle luci del nord e del sud - le aurore - potrebbero essere i fenomeni più noti che illuminano il cielo notturno, ma i più misteriosi sono le strisce color malva e bianche chiamate Steve e il loro frequente compagno, un verde luminoso.

Riconosciuta per la prima volta nel 2018 come distinta dalle aurore comuni, “Steve” - un riferimento ironico al nome benigno dato a una siepe spaventosa in un film per bambini del 2006 - e la “picket fence” associata si pensava tuttavia fossero causati dagli stessi processi fisici. Ma gli scienziati sono rimasti a chiedersi come venivano prodotte queste emissioni luminose.

La dottoressa Claire Gasque, studentessa laureata in fisica dell'University of California, Berkeley, ha ora proposto una spiegazione fisica per questi fenomeni che è totalmente diversa dai processi responsabili delle ben note aurore. Ha collaborato con i ricercatori dello Space Sciences Laboratory (SSL) del campus per proporre alla NASA di lanciare un razzo nel cuore dell'aurora per scoprire se ha ragione.

Aurore vibranti e fenomeni luminosi come Steve e la staccionata stanno diventando più comuni man mano che il sole entra nel periodo attivo del suo ciclo di 11 anni, e novembre è stato un buon mese per le osservazioni di “Steve” alle latitudini settentrionali. Poiché tutti questi fenomeni luminosi transitori sono innescati da tempeste solari ed espulsioni di massa coronale dal sole, l’avvicinarsi del massimo solare è il momento ideale per studiare eventi rari come “Steve” e “picket fence”.

La dottoressa Gasque ha descritto la fisica dietro la staccionata in un articolo pubblicato sulla rivista Geophysical Research Letters (1).

Ha calcolato che in una regione dell’atmosfera superiore più a sud di quella in cui si formano le aurore, i campi elettrici paralleli al campo magnetico terrestre potrebbero produrre lo spettro dei colori della staccionata. Se corretto, questo processo insolito avrebbe implicazioni sul modo in cui i fisici comprendono il flusso di energia tra la magnetosfera terrestre, che circonda e protegge la Terra dal vento solare, e la ionosfera ai margini dello spazio.

«Ciò sconvolgerebbe la nostra modellizzazione di ciò che crea la luce e l'energia nell'aurora in alcuni casi», ha detto la dottoressa L. Claire Gasque (2).

«La cosa veramente interessante dell'articolo di Claire è che sappiamo da un paio d'anni ormai che lo spettro di Steve ci dice che c'è qualcosa di fisico molto esotico in corso. Semplicemente non sapevamo di cosa si trattasse», ha detto il dottor Brian Harding (3), un coautore dell'articolo e un assistente fisico ricercatore SSL. «L'articolo di Claire ha dimostrato che i campi elettrici paralleli sono in grado di spiegare questo spettro esotico».

L'articolo era un progetto parallelo del dottorato di ricerca di Gasque. Tesi, che si concentra sulla connessione tra eventi come i vulcani sulla superficie terrestre e fenomeni nella ionosfera a 100 chilometri o più sopra le nostre teste.

Ma dopo aver sentito parlare di “Steve” – che ora è diventato l’acronimo di Strong Thermal Emission Velocity Enhancement – in una conferenza nel 2022, non ha potuto resistere alla tentazione di esaminare la fisica dietro “Steve” e “picket fence”.

«È davvero fantastico», ha detto. «È uno dei più grandi misteri della fisica spaziale in questo momento».

La fisica di Steve

Le aurore comuni vengono prodotte quando il vento solare energizza le particelle nella magnetosfera terrestre, spesso ad altitudini superiori a 1.000 chilometri sopra la superficie. Queste particelle energizzate si muovono a spirale attorno alle linee del campo magnetico terrestre verso i poli, dove si scontrano ed eccitano le molecole di ossigeno e azoto nell'atmosfera superiore. Quando queste molecole si rilassano, l’ossigeno emette frequenze specifiche di luce verde e rossa, mentre l’azoto genera un po’ di linea di emissione rossa, ma soprattutto blu.

Le velature colorate e scintillanti che ne risultano possono estendersi per migliaia di chilometri attraverso le latitudini settentrionali o meridionali.

“Steve”, tuttavia, non mostra singole linee di emissione, ma un'ampia gamma di frequenze incentrate sul viola o sul malva. E a differenza delle aurore, né “Steve” né la “picket fence” emettono luce blu, che viene generata quando le particelle più energetiche colpiscono e ionizzano l’azoto. “Steve” e “picket fence” si trovano anche a latitudini inferiori rispetto all’aurora, potenzialmente anche a sud fino all’equatore.

Alcuni ricercatori hanno proposto che “Steve” sia causato da flussi di ioni nell'atmosfera superiore, definiti deriva ionica subaurorale, o SAID, sebbene non esista una spiegazione fisica ben accettata su come SAID possa generare le emissioni colorate.

L'interesse di Gasque è stato suscitato dall'ipotesi che le emissioni della “picket fence” potessero essere generate da campi elettrici a bassa quota paralleli al campo magnetico terrestre, una situazione ritenuta impossibile perché qualsiasi campo elettrico allineato con il campo magnetico dovrebbe rapidamente cortocircuitarsi e scomparire.

Utilizzando un modello fisico comune della ionosfera, Gasque ha successivamente dimostrato che un campo elettrico parallelo moderato – circa 100 millivolt per metro – ad un’altezza di circa 110 km potrebbe accelerare gli elettroni verso un’energia che ecciterebbe l’ossigeno e l’azoto e genererebbe lo spettro della luce osservato dalla “picket fence”. Condizioni insolite in quell’area, come una minore densità di plasma carico e atomi più neutri di ossigeno e azoto, potrebbero potenzialmente fungere da isolante per evitare cortocircuiti del campo elettrico.

«Se guardi lo spettro della “picket fence”, è molto più verde di quanto ti aspetteresti. E non c'è niente del blu che proviene dalla ionizzazione dell'azoto», ha detto la dottoressa Gasque. «Ciò che ci dice è che esiste solo uno specifico intervallo energetico di elettroni che possono creare quei colori, e non possono provenire dallo spazio fino all'atmosfera, perché quelle particelle hanno troppa energia».

Invece, ha detto, «la luce proveniente dalla “picket fence” è creata da particelle che devono essere energizzate proprio lì nello spazio da un campo elettrico parallelo, che è un meccanismo completamente diverso da qualsiasi aurora che abbiamo studiato o conosciuto».

Lei e Harding sospettano che lo stesso “Steve” possa essere prodotto da processi correlati. I loro calcoli prevedono anche il tipo di emissioni ultraviolette che questo processo produrrebbe, che può essere verificato per avvalorare la nuova ipotesi sulla “picket fence”.

Sebbene i calcoli di Gasque non affrontino direttamente il bagliore on-off che fa sembrare il fenomeno una “picket fence”, è probabilmente dovuto a variazioni ondulatorie nel campo elettrico. E mentre le particelle accelerate dal campo elettrico probabilmente non provengono dal sole, l’agitazione dell’atmosfera causata dalle tempeste solari probabilmente innesca “Steve” e “picket fence”, come fa l’aurora comune.

Le aurore potenziate mostrano un bagliore simile a una “picket fence”

Il prossimo passo, ha detto Harding, sarà lanciare un razzo dall'Alaska attraverso questi fenomeni e misurare la forza e la direzione dei campi elettrici e magnetici. Gli scienziati dello Space Sciences Laboratory (SSL) sono specializzati nella progettazione e costruzione di strumenti che fanno proprio questo. Molti di questi strumenti si trovano su veicoli spaziali che ora orbitano attorno alla Terra e al sole.

Inizialmente, l’obiettivo sarebbe quella conosciuta come un’aurora potenziata, che è un’aurora normale con emissioni simili a steccati incorporati al suo interno.

«L'aurora potenziata è fondamentalmente questo strato luminoso incorporato nell'aurora normale. I colori sono simili a quelli della “picket fence” in quanto non c'è tanto blu al loro interno, e c'è più verde derivante dall'ossigeno e rosso derivante dall'azoto. L'ipotesi è che questi sono creati anche da campi elettrici paralleli, ma sono molto più comuni della “picket fence”», ha detto Gasque.

Il piano non è solo «far volare un razzo attraverso quello strato potenziato per misurare effettivamente quei campi elettrici paralleli per la prima volta», ha detto, ma anche inviare un secondo razzo per misurare le particelle ad altitudini più elevate, «per distinguere le condizioni da quelli che causano le aurore». Alla fine, spera in un razzo che voli direttamente attraverso “Steve” e la “picket fence”.

Brian Harding, L. Claire Gasque e colleghi hanno proposto alla NASA una campagna missilistica di questo tipo questo autunno e si aspettano di ricevere notizie sulla sua selezione nella prima metà del 2024. Gasque e Harding considerano l'esperimento un passo importante nella comprensione della chimica e della fisica dell'atmosfera superiore: la ionosfera e la magnetosfera terrestre. Una proposta in linea con il programma Low Cost Access to Space (LCAS) sponsorizzato dalla NASA per progetti come questo.

Il dottor Brian Harding aggiunge: «È giusto dire che in futuro ci saranno molti studi su come questi campi elettrici sono arrivati lì, a quali onde sono o non sono associati e cosa significa per il più ampio trasferimento di energia tra l'atmosfera terrestre e lo spazio. Non lo sappiamo davvero. L'articolo di Claire è il primo passo nella catena di questa comprensione».

La dottoressa L. Claire Gasque ha espresso apprezzamento per il contributo di persone che studiano la ionosfera media, o mesosfera, e la stratosfera, le cui idee l'hanno aiutata a trovare la soluzione. Ella afferma: «Con questa collaborazione, siamo stati in grado di fare dei progressi davvero interessanti in questo campo. Onestamente, stavamo semplicemente seguendo il nostro intuito e ne siamo entusiasti».

Oltre a Harding, gli altri suoi coautori sono Reza Janalizadeh della Pennsylvania State University di University Park, Justin Yonker dell'Applied Physics Laboratory della Johns Hopkins University di Laurel, nel Maryland, e D. Megan Gillies dell'Università di Calgary in Alberta, Canada.

Il supporto parziale per questo lavoro è stato fornito dalla National Science Foundation (AGS-2010088), dalla National Aeronautics and Space Administration (80NSSC21K1386) e dalla Robert P. Lin Fellowship presso l'UC Berkeley.

Riferimenti:

(1) It's Not Easy Being Green: Kinetic Modeling of the Emission Spectrum Observed in STEVE's Picket Fence

(2) L. Claire Gasque

(3) Brian Harding

Descrizione foto: Le emissioni viola e bianche in alto sono chiamate “Steve”, mentre le emissioni verdi sono chiamate “picket fence”. I rari fenomeni, distinti dalla tipica aurora, spesso si verificano insieme e possono essere causati da condizioni simili ai margini dello spazio. La foto è stata scattata guardando a sud sul lago Berg verso il monte Robson nelle Montagne Rocciose canadesi, Columbia Britannica, Canada. - Credit: Per gentile concessione di Robert Downie, robertdowniephotography.com.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: When is an aurora not an aurora?