Gli esperimenti di Birkeland -Terella- e la loro importanza per la moderna sinergia di laboratorio e lo studio dei plasmi – 6° parte –

Durante una sottotempesta magnetica, il normale andamento nella magnetosfera viene interrotto e mandato in cortocircuito attraverso la ionosfera, qualitativamente nello stesso modo come descritto da Birkeland. Questa teoria ha conseguenze di vasta portata, dal momento che sottolinea che i sistemi di corrente elettrica nell’atmosfera terrestre sono direttamente accoppiati a sistemi correnti nello spazio interplanetario.

Inoltre, la citazione di cui sopra dimostra che Birkeland si rese conto che una ionosfera esiste, almeno in connessione con l’aurora. La ionosfera fu scoperta da E. V. Appleton nel 1925. A sostegno di questa interpretazione Birkeland calcolò le perturbazioni del campo magnetico da vari modelli di questo tipo, e ottenne una riprova molto convincente con i modelli osservati. Purtroppo, questi risultati sono stati trascurati dalla comunità dei fisici spaziali per più di mezzo secolo, con il risultato che le teorie errate sulle correnti ionosferiche e le tempeste magnetiche hanno prevalso fino a quando i risultati dei satelliti hanno confermato l’esistenza di correnti lungo il campo magnetico nel 1973.

“….Queste correnti sono ora generalmente chiamate “Correnti di Birkeland”…”

 Le tempeste ciclo-mediane appaiono come un grande vortice di correnti con il centro alle basse latitudini. Oggi vengono attribuite ai fotoni ad alta energia dei brillamenti solari che causano correnti dovute alle variazioni di conducibilità ionosferica. Birkeland osservò simili strutture di correnti con i raggi catodici ad altissima energia nei suoi esperimenti terrella e fu in grado di spiegare questi risultati calcolando le orbite di tali particelle (Fig. 11).

 Figura 10: (a) Illustrazione di Birkeland delle correnti durante una tempesta polare elementare. (b) Illustrazioni di Birkeland del modello attuale associato con cicli mediani di tempeste.

 

Nei calcoli dell’orbita, l’energia delle traiettorie calcolate era molto maggiore dell’energia tipica del vento solare e delle particelle magnetosferiche. Ciò significa che le teorie basate direttamente sui calcoli dell’orbita devono essere modificate. Birkeland fu ovviamente molto colpito dai calcoli di Stormer ma ci sono anche casi dove criticò questo approccio come troppo idealizzato, ignorando i fatti sperimentali. La teoria di Stormer è certamente più adeguata per gli esperimenti terrella che per il sistema solare terrestre. Le osservazioni geomagnetiche non erano le uniche registrazioni effettuate durante le spedizioni polari di Birkeland. Tra le molte osservazioni fatte di routine vi erano le registrazioni delle forme aurorali e dei vari eventi. E’ ben noto infatti che al momento in cui l’aurora ha il suo massimo avvenimento, vicino ai 23° dai poli magnetici, la forma esatta è ovale, ma a quei tempi, tale forma non era conosciuta.

Figura 11: (a) Esperimento Terrella che mostra la regione ad alta energia, illuminata dai raggi catodici. (b) I risultati dei calcoli di Stormer per lo stesso caso. Confronto con i  disegni di Birkeland in fig. 10b.

 

La variazione diurna della zona aurorale in un determinato luogo sulla Terra potrebbe essere attribuita ad una deviazione dell’ovale da un cerchio, ma anche per la deviazione dei poli magnetici dai poli geografici. Nel 1907 e 1908 Birkeland eseguì un elegante esperimento per indagare come la sua aurora artificiale si comportasse nelle diverse stagioni sulla Terra.

Birkeland realizzò quindi una disposizione geometrica dove poteva posizionare la terra corrispondente a ogni stagione e in qualsiasi momento del giorno (al polo sud magnetico). In questo esperimento usò il secondo tubo di vetro di 12 litri. Sostenuto ad una estremità con una cerniera, disposizione che rese possibile inclinare il tubo di 23,5° sopra e sotto il piano orizzontale. La terrella aveva un nucleo magnetico inclinato ed era sospesa, al polo nord geografico, da un giunto universale. In questo modo riuscì a mantenere l’asse nord-sud verticale quando il tubo veniva inclinato. Il terrella poteva essere ruotato, e poiché
l’asse magnetico è diverso dall’asse geografico, Birkeland riuscì con questa configurazione a mettere il polo magnetico in posizioni corrispondenti alle diverse ore del giorno e la notte. Il catodo, che rappresentava il sole era situato all’estremità del tubo, vicino alla cerniera. Il terrella era sostenuto dall’altro terminale in prossimità della piastra di vetro piano. Con questa costruzione poteva simulare le variazioni dell’angolo tra i raggi catodici provenienti dal Sole e l’asse di rotazione della Terra inclinando il tubo e quindi simulare le variazioni stagionali. Ruotando la terrella attorno ad un asse verticale ha ottenuto la rivoluzione diurna della Terra, e quindi il movimento diurno del polo magnetico. Il tutto è stato ricostruito in Fig. 12 e Fig. 13 (vedi le 8 fotografie) scattate da diverse angolazioni durante il solstizio d’inverno, con il polo sud magnetico in posizione all’alba.

Figura 13 : Foto della terrella, effettuate da diversi angoli di ripresa con il tubo in posizione corrispondente al solstizio d’inverno e il polo sud magnetico sud, posizionato alle ore 6 AM.

Birkeland considerava la forma a spirale degli ovali aurorali come una scoperta molto significativa, in riferimento ai tentativi errati, fatti per spiegare le osservazioni diurne errate di archi aurorali. Queste interpretazioni sono per lo più obsolete oggi, ma ancora una volta le indagini hanno individuato un problema importante per ulteriori studi.

Figura 12: Disposizione geometrica per studiare le variazioni stagionali e diurne dell’ovale aurorale.

Simone Becuzzi

Fine 6°parte

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7 pensieri su “Gli esperimenti di Birkeland -Terella- e la loro importanza per la moderna sinergia di laboratorio e lo studio dei plasmi – 6° parte –

  1. Articolo di difficile comprensione, almeno per me. Forse sarebbe stato meglio riportare i link alle puntate precedenti, all’inizio, e magari anche un breve riassunto.

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  2. ice2020 :Inversione meganetica che rimane bloccata, cn l’emisfero sud ancora inchiodato…
    http://wso.stanford.edu/Polar.html

    Ma noto una importante novità: il valore dell’emisfero sud ha iniziato a diminuire (da +43 a +42). E’ la prima volta che accade dalla fine del 2010. Questo fa pensare che l’inversione dell’emisfero sud possa effettivamente avvenire, anche se in notevole ritardo rispetto all’emisfero nord. Vediamo ora quanto tempo l’emisfero sud impiegherà per invertire: mesi? anni? E nel caso fossero anni, quali sarebbero le conseguenze?

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  3. ice2020 :Media mensile solar flux che si attesta a chiudere sotto i 120 per agosto 2012, dopo il secondo valore massimo del ciclo 24 di luglio con 140!

    Intanto però l’immagine Stereo Behind appare relativamente pulita
    http://stereo-ssc.nascom.nasa.gov/beacon/latest/behind_euvi_195_latest.jpg
    e suggerisce quindi che non dobbiamo attenderci una forte ripresa dell’attività nei prossimi giorni e probabilmente nemmeno nelle prossime settimane.

    Inoltre sono presenti due macchie a latitudine inferiore ai dieci gradi (una ad appena tre gradi nord), entrambe nell’emisfero Nord, dove peraltro si sta registrando nuovamente una certa presenza di macchie, pur piccole e di breve durata. Che significa questo? Che l’emisfero Nord si è sbloccato? C’è una correlazione con il fatto che l’emisfero Sud sembra aver iniziato il percorso che presumibilmente lo porterà all’inversione? Non lo sappiamo, però il dubbio resta……

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