Un milione di lame che brillavano
di Pierdomenico Memeo
- Materie coinvolte: Fisica
Alike the God,
decreeing and commanding
the million blades that glowed,
the muster and disbanding—
Midnight and Morn.
Herman Melville, Aurora Borealis
da Battle-Pieces and Aspects of the War (1866)
Continuiamo la carrellata sui più affascinanti fenomeni luminosi dell'atmosfera terrestre: dopo l'arcobaleno, non potevamo non parlare delle aurore polari: stupefacenti ed evanescenti, hanno accompagnato per millenni i popoli che abitavano le latitudini più fredde, e incantato gli esploratori che ne hanno raccontato la meraviglia e lo sgomento.
Quelle magiche luci nel nord (e non solo)
In italiano, le aurore polari condividono il nome con l'aurora mattutina, il periodo di luce precedente al sorgere del sole (in altre lingue questa sovrapposizione non esiste, come nell'inglese aurora e dawn). Il nome deriva dalla divinità romana dell'alba, Aurora (AVRORA): nel caso di quelle polari, sono definite boreali o australi a seconda dell'emisfero sul quale sono osservate: settentrionale o meridionale. I filosofi greci e romani, udendo i raccanti di queste fantasmagoriche luci dai marinai e dai mercanti che si avventuravano nelle fredde terre del nord Europa, trascrivevano nei loro scritti le ipotesi riguardo la natura di questa misteriosa “alba del nord”, che andavano dai riflessi del Sole nel suo passaggio dall'altro lato della Terra, alla luce imprigionata e negli immensi ghiacciai delle lande iperboree.
L'aurora (australe) è presente anche nelle tradizioni dell'emisfero meridionale, in particolare dei popoli aborigeni australiani: alcuni miti le rappresentavano come incendi o fuochi nel mondo degli spiriti. Per i Maori della Nuova Zelanda, le aurore australi erano chiamate Tahunuiarangi (le “grandi torce nel cielo”), accese dagli antenati che avevano compiuto un grande viaggio verso la terra del ghiaccio nel profondo sud (possibilmente una versione semi-mitica dell'Antartide).
L'aurora (australe) è presente anche nelle tradizioni dell'emisfero meridionale, in particolare dei popoli aborigeni australiani: alcuni miti le rappresentavano come incendi o fuochi nel mondo degli spiriti. Per i Maori della Nuova Zelanda, le aurore australi erano chiamate Tahunuiarangi (le “grandi torce nel cielo”), accese dagli antenati che avevano compiuto un grande viaggio verso la terra del ghiaccio nel profondo sud (possibilmente una versione semi-mitica dell'Antartide).
Figura 1.Aurora Borealis di Frederic Church (olio su tela, 1865)
Dove il cielo tocca la terra
L'origine delle aurore polari è un effetto complesso, a cui contribuiscono fenomeni spaziali e realtà terrestri: le aurore polari, infatti, emergono dall'interazione tra il vento solare, il campo magnetico terrestre, e l'atmosfera del nostro pianeta.
Il Sole, oltre ai fotoni che conosciamo e di cui possiamo percepire una parte come luce visibile, emette un flusso di particelle cariche, composto principalmente da protoni ed elettroni: il flusso di particelle mostra intensità e velocità variabile legata all'andamento del ciclo solare di 11 anni. Grazie alla loro alta energia cinetica, queste particelle cariche sfuggono alla gravità solare e si irradiano in tutto lo spazio interplanetario, investendo di conseguenza anche i pianeti del Sistema Solare. Quando arrivano sulla Terra, hanno una velocità compresa tra circa 200 e 900 km/s.
Le particelle del vento solare non arrivano però direttamente sulla superficie della Terra perché incontrano un altro fenomeno: il campo magnetico terrestre. Generato dalle correnti elettriche indotte dal calore e dalla rotazione nei materiali ferrosi presenti nel nucleo terrestre, il campo magnetico della Terra si estende molto oltre la sua superficie, avvolgendo il pianeta in una sorta di “bozzolo” che devia le particelle cariche che si trovino a viaggiare in prossimità.
Il Sole, oltre ai fotoni che conosciamo e di cui possiamo percepire una parte come luce visibile, emette un flusso di particelle cariche, composto principalmente da protoni ed elettroni: il flusso di particelle mostra intensità e velocità variabile legata all'andamento del ciclo solare di 11 anni. Grazie alla loro alta energia cinetica, queste particelle cariche sfuggono alla gravità solare e si irradiano in tutto lo spazio interplanetario, investendo di conseguenza anche i pianeti del Sistema Solare. Quando arrivano sulla Terra, hanno una velocità compresa tra circa 200 e 900 km/s.
Le particelle del vento solare non arrivano però direttamente sulla superficie della Terra perché incontrano un altro fenomeno: il campo magnetico terrestre. Generato dalle correnti elettriche indotte dal calore e dalla rotazione nei materiali ferrosi presenti nel nucleo terrestre, il campo magnetico della Terra si estende molto oltre la sua superficie, avvolgendo il pianeta in una sorta di “bozzolo” che devia le particelle cariche che si trovino a viaggiare in prossimità.
Figura 1.Forma del campo magnetico terrestre (fonte dati: NASA)
E qui inizia la parte interessante: la forma del campo magnetico terrestre non è perfettamente sferica ma, come avviene per una calamita, le linee di campo che la descrivono convergono in prossimità dei poli magnetici. Di conseguenza, le particelle cariche vengono “guidate” verso le regioni polari, dove interagiscono con gli atomi e le molecole presenti nell'atmosfera. Queste particelle cariche possono eccitare, tramite collisioni, gli elettroni più esterni degli atomi, facendoli salire ad un livello energetico superiore. Passato un certo tempo caratteristico, questi elettroni scendono nuovamente al livello energetico fondamentale: per fare questo però devono liberarsi dell'eccesso di energia, emettendo un fotone di lunghezza d'onda caratteristica.
Il colore della luce emessa dall'energia delle particelle cariche che arrivano con il vento solare, e dalla composizione chimica e dalle caratteristiche fisiche dell'atmosfera terrestre: in alta quota (400-50 km), l'atmosfera è sufficientemente rarefatta da permettere all'ossigeno molecolare (che deriva da un processo di assorbimento-emissione abbastanza lento) di dominare con il colore rosso (630 nm); a quote più basse (100-200 km) il tasso più elevato di collisioni tra molecole favorisce invece l'emissione dell'ossigeno atomico, molto più rapida, e il colore dominante diventa il verde (558 nm); infine alle quote minime (circa 80 km), dove solo le particelle più energetiche riescono a penetrare, domina l'emissione dell'azoto molecolare con il colore blu (392 nm). Più raramente, sono stati osservati altri colori, come rosa, magenta, e giallo, dovuti ad una miscela delle lunghezze d'onda descritte prime o emessi da transizioni energetiche particolari (come ad esempio il rosa per l'azoto atomico).
Le aurore polari non sono limitate alla Terra: il vento solare infatti investe tutti i pianeti del Sistema Solare, e di conseguenza le aurore possono presentarsi su tutti i pianeti che possiedono un campo magnetico: è così ad esempio per Saturno e per Giove, nonché Urano e Nettuno. Sono state osservate anche flebili aurore su pianeti privi di un campo magnetico globale, come Marte e Venere, in questo caso generate da campi magnetici localizzati su zone particolari della superficie.
Il colore della luce emessa dall'energia delle particelle cariche che arrivano con il vento solare, e dalla composizione chimica e dalle caratteristiche fisiche dell'atmosfera terrestre: in alta quota (400-50 km), l'atmosfera è sufficientemente rarefatta da permettere all'ossigeno molecolare (che deriva da un processo di assorbimento-emissione abbastanza lento) di dominare con il colore rosso (630 nm); a quote più basse (100-200 km) il tasso più elevato di collisioni tra molecole favorisce invece l'emissione dell'ossigeno atomico, molto più rapida, e il colore dominante diventa il verde (558 nm); infine alle quote minime (circa 80 km), dove solo le particelle più energetiche riescono a penetrare, domina l'emissione dell'azoto molecolare con il colore blu (392 nm). Più raramente, sono stati osservati altri colori, come rosa, magenta, e giallo, dovuti ad una miscela delle lunghezze d'onda descritte prime o emessi da transizioni energetiche particolari (come ad esempio il rosa per l'azoto atomico).
Le aurore polari non sono limitate alla Terra: il vento solare infatti investe tutti i pianeti del Sistema Solare, e di conseguenza le aurore possono presentarsi su tutti i pianeti che possiedono un campo magnetico: è così ad esempio per Saturno e per Giove, nonché Urano e Nettuno. Sono state osservate anche flebili aurore su pianeti privi di un campo magnetico globale, come Marte e Venere, in questo caso generate da campi magnetici localizzati su zone particolari della superficie.
Figura 1.Aurore su Giove (James Webb Space Telescope, NASA/ESA/CSA)
Proposta di attività per la classe: La preparazione è la chiave della sopravvivenza
L'attività si contestualizza come un compito di realtà, anche se si basa su evento ipotetico (ma certamente non impossibile).
Il 1 settembre 1859, l'astronomo inglese Richard Carrington osservò un brillamento di particolare intensità sulla superficie solare, e inviò immediatamente una comunicazione alla Royal Astronomical Society di Londra. Il giorno dopo, la Terra venne avvolta da un vasto e intenso sistema di aurore polari, visibili da tutta Europa e tutto il Nord America. In Italia, le aurore boreali vennero avvistate fino alle latitudini di Roma e Napoli. Nonostante a quel tempo la tecnologia elettrica si stesse appena diffondendo, gli effetti della tempesta geomagnetica si avvertirono in tutto il mondo, come l'interruzione globale della rete telegrafica, e perfino incendi ai pali di trasmissione. L'evento di Carrington, così come è conosciuto oggi, dimostrò in maniera inconfutabile la connessione tra i fenomeni solari e le aurore polari, ma mostrò anche come la tecnologia elettrica sia suscettibile agli effetti delle tempeste geomagnetiche. Da allora, altri eventi di minore entità sono avvenuti, causando disagi e problemi: ma cosa succederebbe se avvenisse un altro evento ad alta intensità come quello del 1859?
Per l'attività, studenti e studentesse dovranno documentarsi su quali potrebbero essere le possibili conseguenze delle tempeste geomagnetiche sulle infrastrutture elettriche e sulle apparecchiature elettroniche, e compilare un resoconto su quali sarebbero i settori più colpiti (es. energia, comunicazioni, trasporti, servizi essenziali come ospedali e protezione civile, eccetera), e provare ad immaginare un piano di previsione e controllo delle possibili emergenze.
L'attività si presta ad interazioni interdisciplinari con il corso di Lingua Italiana: il testo finale potrà infatti essere redatto nella forma dell'articolo scientifico, ma anche della comunicazione istituzionale, del reportage giornalistico, del racconto breve, o altri ancora.
Il 1 settembre 1859, l'astronomo inglese Richard Carrington osservò un brillamento di particolare intensità sulla superficie solare, e inviò immediatamente una comunicazione alla Royal Astronomical Society di Londra. Il giorno dopo, la Terra venne avvolta da un vasto e intenso sistema di aurore polari, visibili da tutta Europa e tutto il Nord America. In Italia, le aurore boreali vennero avvistate fino alle latitudini di Roma e Napoli. Nonostante a quel tempo la tecnologia elettrica si stesse appena diffondendo, gli effetti della tempesta geomagnetica si avvertirono in tutto il mondo, come l'interruzione globale della rete telegrafica, e perfino incendi ai pali di trasmissione. L'evento di Carrington, così come è conosciuto oggi, dimostrò in maniera inconfutabile la connessione tra i fenomeni solari e le aurore polari, ma mostrò anche come la tecnologia elettrica sia suscettibile agli effetti delle tempeste geomagnetiche. Da allora, altri eventi di minore entità sono avvenuti, causando disagi e problemi: ma cosa succederebbe se avvenisse un altro evento ad alta intensità come quello del 1859?
Per l'attività, studenti e studentesse dovranno documentarsi su quali potrebbero essere le possibili conseguenze delle tempeste geomagnetiche sulle infrastrutture elettriche e sulle apparecchiature elettroniche, e compilare un resoconto su quali sarebbero i settori più colpiti (es. energia, comunicazioni, trasporti, servizi essenziali come ospedali e protezione civile, eccetera), e provare ad immaginare un piano di previsione e controllo delle possibili emergenze.
L'attività si presta ad interazioni interdisciplinari con il corso di Lingua Italiana: il testo finale potrà infatti essere redatto nella forma dell'articolo scientifico, ma anche della comunicazione istituzionale, del reportage giornalistico, del racconto breve, o altri ancora.
Sitografia
Sorvegliati Spaziali: Meteorologia spaziale
(progetto di comunicazione sulla difesa planetaria, con un'ampia sezione dedicata alle aurore polari)
What is an Aurora (in inglese)
TED-Ed (Micheal Molina)
Joan Feynman e la aurore polari
Storia di un patto tra fratello e sorella per dividersi la fisica dello spazio
(progetto di comunicazione sulla difesa planetaria, con un'ampia sezione dedicata alle aurore polari)
What is an Aurora (in inglese)
TED-Ed (Micheal Molina)
Joan Feynman e la aurore polari
Storia di un patto tra fratello e sorella per dividersi la fisica dello spazio
Bibliografia
Aurora boreale
La storia di un enigma scientifico e del genio che lo risolse
Lucy Jago
Rizzoli (2001)
ISBN: 9788817868457
Exploring the Secrets of the Aurora (in inglese)
Syun-Ichi Akasofu
Springer Netherlands (Ed. 2013)
ISBN: 9789401742801
Aurora
The Northern Lights in Mythology, History, and Science (in inglese)
Harald Falk-Ytter
Floris (1999)
ISBN: 9780863152870
La storia di un enigma scientifico e del genio che lo risolse
Lucy Jago
Rizzoli (2001)
ISBN: 9788817868457
Exploring the Secrets of the Aurora (in inglese)
Syun-Ichi Akasofu
Springer Netherlands (Ed. 2013)
ISBN: 9789401742801
Aurora
The Northern Lights in Mythology, History, and Science (in inglese)
Harald Falk-Ytter
Floris (1999)
ISBN: 9780863152870
