Proiezione della luce vento solare: simulare le aurore a scuola

Le aurore sono una delle meraviglie della natura. Utilizzando alcuni semplici strumenti, si possono
facilmente riprodurre altri fenomeni a loro collegati

L’;aurora come si vede dalla Stazione Spaziale Internazionale

Risultati immagini per simulare aurore a scuola

Le aurore sono dei fenomeni tipici delle regioni polari dove l’aria rarefatta della atmosfera superiore
si illumina e risplende durante le ore notturne. Sono anche note come luci settentrionali e
meridionali (o polari). In questo articolo spiegheremo come si formano le aurore, e descriveremo
quattro esercitazioni in laboratorio, adatti a studenti di 14-16 anni, nei quali si possono simulare
aurore boreali e fenomeni ad esse correlate.

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Figura 1

Campo magnetico terrestre. Le particelle del vento solare sono intrappolate dal campo
magnetico terrestre e sono convogliate verso uno dei poli magnetici, formando la fascia di Van
Allen. E’ solo in prossimità dei poli che la fascia di Van Allen è abbastanza vicina alla terra
tale da penetrare nella sua atmosfera, e dove, la collisione tra atomi e particelle cariche
produce il fenomeno luminoso delle aurore.
Forse, alquanto inaspettatamente, la vera causa delle aurore non si può attribuire all’atmosfera
terrestre ma bensì a quella Solare. Il Sole – la nostra stella – emana la sua energia nello spazio in
due modi: come radiazione della quale noi possiamo vedere la parte visibile, e come vento solare,
invisibile, ma che potenzia le aurore quando reagisce con la parte superiore dell'atmosfera. Il vento
solare è formato di particelle cariche – elettroni e ioni, in maggioranza ioni idrogeno (protoni) – ed
ha proprietà variabili. La sua velocità varia da una decina di chilometri al secondo a diverse
migliaia, e la sua densità solitamente varia in un intervallo di alcuni elettroni e protoni per
centimetro cubo (mediamente cinque), alla distanza Terra-Sole.
Il vento solare è elettricamente carico ed è quindi sensibile al campi magnetici. E’ in conseguenza di
ciò che una grossa porzione delle particelle del vento solare che passano in vicinanza del nostro
pianeta vengono intrappolate dal campo magnetico Terrestre (figura 1) e convogliate verso uno dei
poli magnetici della Terra; queste particelle così intrappolate formano ciò che è conosciuta come la
fascia di Van Allen.

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L’aurora australe (luci meridionali) come si vede dalla Stazione

Spaziale Internazionale
Per la maggior parte della sua estensione la fascia di Van Allen giace ben al di sopra della superficie
terrestre (circa 45000 km all’equatore). Ai poli, invece, entra nell’atmosfera: le sue particelle cariche
entrano in collisione con l'atmosfera ad un’altitudine di 80-500 km, dove l’aria è molto rarefatta (con
una pressione minore di alcuni decimi di pascal). (N.d.T. Ricordate che la pressione al livello del
mare è pari a 101 kPa.).
Come ciò può causare le aurore? Durante la collisione, gli atomi presenti nell’atmosfera si ionizzano
(ciò succede quando uno o più elettroni vengono espulsi) o vengono eccitati (quando la collisione
fornisce energia ad un elettrone, esso balza al livello energetico superiore, ma poi ritorna al suo
stato fondamentale subito dopo averlo espulso), perciò instabile.

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L’aurora al di sopra della regione polare settentrionale di
Saturno ha una forma ad anello simile a quelle che si formano vicino ai poli della Terra.
L’immagine è stata scattata dalla navicella spaziale Cassini della Nasa.

Per ritornare al loro stato normale, essi possono essere sottoposti ad una reazione chimica, o
rilasciare l'energia assorbita sotto forma di un raggio di luce visibile, che noi chiamiamo aurora.
Viste dallo spazio le aurore boreali e australi, formano un anello detto aurora ovale,
contrassegnando la zona in cui la fascia di Van Allen si immerge nell’atmosfera terrestre (vedi
l'immagine a sinistra).
Quantunque la nostra esperienza di aurore sia limitata a quelle sulla Terra, esse non sono una
prerogativa solo del nostro pianeta: gli astronomi hanno osservato aurore sui pianeti del nostro
Sistema Solare, in particolare su Giove e Saturno, e persino su Marte, oltre le anomalie magnetiche.

Esperimento base
Lo scienziato Norvegese Kristian Olav Birkeland (1867-1917) fu il primo a utilizzare una piccola
sfera magnetizzata detta terrella (‘piccola terra’) per dimostrare i meccanismi delle aurore. In una
camera a vuoto, un catodo, rappresentante il Sole, produce un flusso di elettroni (il vento solare,

anche se gli elettroni rappresentano solo una parte delle particelle che compongono il vento solare),
mentre la terrella (l'anodo) è sottoposta a questo vento e si comporta come un pianeta o un altro
corpo celeste del Sistema Solare. La preparazione dell’esperimento può essere modificata, come
mostrato qui di seguito, per dimostrare una serie di ulteriori proprietà fisiche.
La strumentazione si può costruire utilizzando oggetti che si trovano facilmente nelle scuole
superiori, si impiegano circa 10 ore per la costruzione. Lo schema generale di preparazione è
mostrato in figura 2; scaricate i dettagli dei materiali da utilizzare e la procedura di costruzione dal
sito internet di Science in School (Scienza a Scuola).

https://www.scienceinschool.org/it/2013/issue26/aurorae#w1

Note per la Sicurezza
Occorre porre particolare attenzione quando si lavora in presenza di alta tensione. Consultare per
l’occasione le note generali sulla sicurezza che si trovano nel sito di Science in School (Scienza a
Scuola).

https://www.scienceinschool.org/safety
Attività 1 : Simulazione delle aurore e della fascia di Van Allen

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Figura 2: Preparazione per l’attività sperimentale

All’interno della camera a vuoto, la sfera viene posta su un supporto di alluminio. Un magnete
viene inserito all’interno della sfera, formando così un elettrodo, mentre il secondo elettrodo è
sospeso nella parte superiore della camera a vuoto.

In questo esperimento, simile a quello di Birkeland, abbiamo simulato le aurore e la fascia di Van
Allen. La strumentazione dovrebbe essere sistemata in modo che l'elettrodo sospeso nella camera a
vuoto sia il catodo, che rappresenta il Sole e genera un flusso di elettroni (figura 2). La sfera
magnetica costituisce l’anodo, e rappresenta la Terra, il suo asse magnetico dovrebbe essere
perpendicolare al flusso di elettroni.

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Figura 3: La nostra aurora ovale dell’attività 1.

Gli elettroni (vento solare) sono attratti e circondano la sfera (la Terra l’anodo). Nel fare ciò, essi
collidono con il gas di atomi poiché la camera non è a vuoto perfetto, producendo un effetto
luminoso attorno alla sfera. Gli elettroni quindi si muovono verso i poli della sfera e cominciano a
ruotare, seguendo le linee del campo magnetico; potete accorgervi di questo perché si formerà un
anello di luce su ciascun polo (figura 3).
Quanto si avvicina alla realtà la simulazione? Il bagliore generalizzato attorno alla sfera magnetica,
rappresenta la fascia di Van Allen, che in realtà è visibile ai poli, dove entra nell’atmosfera terrestre.
Nella nostra simulazione, poiché nella camera a vuoto sono presenti piccole quantità di gas, la
nostra ascia di Van Allen visualizza l’intero campo magnetico della Terra.
Nella nostra simulazione, gli anelli brillanti attorno a ciascun polo rappresentano gli ovali delle
aurore. In realtà, questi sono causati dal grande numero di elettroni (ricordate che le linee del campo
magnetico più vicine, le une alle altre, proprio ai poli) che colpiscono gli atomi del gas.
Tuttavia, i colori visibili nella simulazione differiscono da quelli visti più comunemente nelle luci
settentrionali e meridionali. I colori più brillanti delle aurore Terrestre (verde e rosso) sono causati
dall’ossigeno atomico che è l’unico presente nella parte superiore dell’atmosfera. I colori nella nostra
simulazione (viola, rosso, rosa e bianco) si trovano nelle aurore solo a bassa quota, dove l’ossigeno
molecolare e l’azoto sono abbondanti. Questi colori sono visibili solo alcune volte per decade
quando il vento solare entra nell’atmosfera ad alta velocità.

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Figura 4: Una simulazione di una corrente stellare ad anello: gli
elettroni ruotano intorno all’equatore magnetico a causa dell’influenza della forza di Lorentz
(nell’attività 2).

Attività 2: Dimostrazione della forza di Lorentz
Nel precedente esperimento, la sfera era l’anodo e rappresentava la Terra, mentre l'altro elettrodo,
rappresentava una stella (il Sole). In questo esperimento scambieremo gli elettrodi, ponendo la sfera
come catodo, per vedere l’effetto del vento solare attorno alla stella. Quando facciamo questo,
vediamo un brillante anello attorno all’equatore della stella figura 4).

Cosa sta succedendo? Gli elettroni ruotano attorno all’equatore magnetico della sfera per effetto
della forza di Lorentz (conosciuta anche come forza di Laplace), che si genera quando una particella
carica si muove in presenza di un campo magnetico. La forza è perpendicolare sia alla direzione di
spostamento della particella che al campo magnetico, costringendo la particella a ruotare intorno
alle linee del campo magnetico. Questo genera una corrente stellare ad anello.
Quanto si avvicina alla realtà la simulazione? Non vi è alcuna corrente ad anello attorno al Sole
poiché il suo campo magnetico non è sufficientemente forte. E’possibile, tuttavia, che le correnti ad
anello possano esistere attorno ad altre stelle con un campo magnetico più forte, ma non possono
essere osservate con i telescopi costruiti con l’attuale tecnologia poiché le stelle stesse sono molto
più luminose della corrente ad anello.

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Attività 3: Creare un aurora sul Sole

Figura 5: Una simulazione di un’aurora stellare: nell’attività 3,
non appena gli elettroni del vento solare simulato ricadono sul “Sole” lungo le linee del campo
magnetico, formeranno un drammatico cerchio di luce al polo.

Anche in questo esperimento, siamo andati al di là di quanto è stato osservato in natura, creando un
aurora sullo stesso Sole. Nuovamente poniamo la sfera come catodo, questa volta aumentiamo la
forza del campo magnetico usando un magnete più forte ed una sfera con una parete più sottile (
abbiamo usato una palla di Natale). Facendo ciò, vediamo che gli elettroni sono sparati dal ole
eccetto una porzione di questo vento solare che ricade sul Sole lungo le linee del suo campo
magnetico, formando un drammatico cerchio di luce al polo più vicino all’anodo, come mostrato
nella figura 5.
E’ questo coerente con quanto succede in realtà? Basandosi sulle nostre conoscenze del Sole e del
vento solare, gli scienziati predicono l’esistenza di una aurora attorno al Sole, ma che non posiamo
osservarla poiché il Sole è troppo luminoso e troppo distante.

Attività 4: Modellazione simultanea del Sole e della Terra

Figura 6: Nell’attività 4, poniamo due sfere magnetiche in una

camera a vuoto, per dimostrare l’interazione tra il Sole e la Terra.

Sino ad ora, i nostri esperimenti hanno simulato sia il modello della Terra o del Sole separatamente,
rappresentante l’altro con un semplice elettrodo. Tuttavia é altresì possibile rappresentare allo stesso
tempo,entrambe i corpi con delle sfere. In questa attività, mettiamo da parte i semplici elettrodi e
piazziamo due sfere magnetiche nella camera a vuoto (figura 6), per dimostrare diversi fenomeni
legati all’interazione tra il Sole e la Terra. Per il Sole, utilizzeremo come catodo, la sfera
dell’attività 3 (per es. la palle di Natale con un magnete al suo interno), e useremo come anodo, una
sfera magnetica più piccola.

Figura 7: Nell’attività 4, la sfera più grande (A) rappresenta il
Sole, quella più piccola (B) rappresenta la Terra. Sia le aurore ovali (C, D) analogamente alle
cuspidi polari della Terra, sono chiaramente visibili.

Vediamo un bagliore tutto attorno al ‘Sole’ (figura 7A), simile al bagliore generalizzato attorno alla
‘Terra’ nell’attività 1. Questa volta, tuttavia, il bagliore rappresenta la corona solare. La corona é
l’espansione del vento solare che lascia la stella, visibile solo dalla Terra durante le eclissi di Sole; il
resto del tempo viene oscurata dalla superficie del Sole. In realtà, la formazione della corona solare
dipende non solo dal vento solare ma anche dalla temperatura e dalla configurazione magnetica del
Sole, così la nostra ‘corona’ é più un’analogia che una simulazione.

La corona solare, come è stata vista durante l’eclisse totale di

Sole del 7 marzo 1970. La corona è visibile ad occhio nudo solo durante l’eclisse.

Il vento solare simulato viaggia dal Sole (figura 7A) attraverso lo spazio interplanetario verso la
Terra (B). Là, come nell’attività 1, esso provoca un bagliore che circonda il pianeta (la fascia di Van
Allen), e contemporaneamente si formano degli anelli brillanti (aurore ovali) intorno ai poli. In

figura 7, l’aurora ovale settentrionale (C) é chiaramente visibile e quella meridionale é nascosta da
una parte dei nostri strumenti.
Possiamo altresì vedere brillanti pennacchi di luce provenienti dalle aurore ovali (figura 7D, E ed
F). Questi pennacchi di luce si vedono anche nel fenomeno reale, sono note col nome di cuspidi
polari. Nella nostra simulazione, sono provocate dai campi magnetici delle due sfere poiché sono
interconnessi: gli elettroni viaggiano lungo le linee di forza dei campi magnetici interconnessi.
Nella realtà la spiegazione é un poco più complessa: le linee del campo magnetico della Terra e del
Sole non sono direttamente interconnesse, ma sono legate al il campo magnetico interplanetario,
che è immerso nel vento solare.
Nella realtà, diversamente dalla nostra simulazione, le aurore ovali sono più brillanti delle cuspidi
solari. Questo é dovuto all’accelerazione delle particelle cariche che sono responsabili
dell’ingrandimento delle aurore ovali al loro ingresso nel campo magnetico della Terra, che ne
incrementa l’energia e la velocità. Nella simulazione, invece, gli elettroni viaggiano a velocità
costante.

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