Aurore polari

Rivista Ligure di Meteorologia – n° 23 anno VII
DIDATTICA
Di: Diego Rosa
Aurore polari
Aurora boreale - Reykir - Islanda, 5 aprile 2006
Foto di: Massimo Riso
Prima parte
I più affascinanti fenomeni ottici dell’atmosfera sono senza dubbio le aurore polari, boreali od
australi. Si verificano alle alte latitudini dell’emisfero N e a quelle basse dell’emisfero Sud. La
zona artica di massima frequenza corre su una linea che partendo dalla parte nord della
Norvegia, tocca la nuova Zemlia, la costa N della Siberia, l’Alaska, la Baia di Hudson, il
Labrador e l’ Islanda. Esse sono generate dall’urto delle particelle cariche (elettroni, protoni,
ioni) costituenti il così detto vento solare, con la parte più alta dell’atmosfera formata da
particelle ionizzate (ad una altezza normalmente compresa tra i 90 ed i 300 Km) complice il
campo magnetico terrestre che deviandole le concentra in una fascia circumpolare abbastanza
ristretta.
Esaminiamo separatamente questi due fattori: il magnetismo terrestre ed il vento solare e poi
la loro iterazione.
Il magnetismo terrestre
I cinesi alcuni secoli prima di Cristo ed in seguito i Greci avevano notato che alcune rocce
contenti ossidi di ferro avevano la proprietà di attirare limatura o pezzetti di ferro esercitando
una forza misteriosa che in Occidente venne detta magnetica dalla città di Magnesia dove
erano presenti giacimenti di tali minerali.
Rivista Ligure di Meteorologia – n° 22 anno VI
Fig 2 William Gilbert
Un’altra curiosa proprietà era stata scoperta: sfregando (nello stesso senso) con una barretta
di ferro la superfice di una roccia magnetica, la barretta stessa si magnetizzava, presentando
alle sue estrimità 2 poli, positivo e negativo, come si poteva dedurre da fatto che due barrette
similmente trattate si atttiravano o si respingevano alle rispettive estremità. Agli inizi del 1200
i cinesi fecero una scoperta fondamentale: un ago magnetizzato potendo ruotare con minimo
attrito attorno ad un asse verticale puntava immancabilmente nella direzione N-S, avevano
cioè inventato la bussola, strumento prezioso per la navigazione. Verso il 1290 la bussola
apparve anche in Europa, forse inventata autonomamente od importata dall’oriente. La causa
di tale comportamento dell’ago magnetizzato rimase incerta per secoli: normalmente si
pensava che il polo che puntava a nord fosse attratto dalla stella polare. Finalmente nel 1600 il
fisico e medico di corte della regina d’Ingilterra Elisabetta I, William Gilbert diede nel suo
famoso trattato “De Magnete” la risposta più corretta : la Terra costituisce un enorme magnete
con i poli magnetici approssimativamente collocati in corrispondenze di quelli geografici: i poli
dell’ago della bussola sono attirati dai corrispondenti (ma di segno opposto) poli magnetici
della terra sono cioè influenzati dal campo magnetico della terra.
Fig. 3 Linee (schematiche) di forza del campo magnetico terrestre
A sostegno di questa sua asserzione modellò un magnete a forma di sfera (terrella) e mostrò
come un piccolo magnete esploratore posto sulla sua superficie si comportasse in modo simile
alla bussola sulla terra.
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Rivista Ligure di Meteorologia – n° 22 anno VI
Fig 4 La terrella di Gilbert
E’ noto dalla fondamentale scoperta di Oersted (una corrente elettrica devia la direzione di una
bussola posta nelle sue vicinanze), dagli esperimenti di Ampère e dalle equazioni di Maxwell,
che una corrente elettrica (od una carica in movimento) genera un campo magnetico e
viceversa una variazione nel tempo del campo magnetico un campo elettrico ed una corrente
in un circuito chiuso. Il nucleo centrale della terra composto da ferro ad alta temperatura ma
solido per le estreme pressioni cui è sottoposto è circondato da una calotta sferica di metallo
liquido. In tale mantello si ritiene che esistano delle correnti quasi stazionarie che producono
un campo magnetico come un solenoide di un elettromagnete campo che rappresenta la quasi
totalità di quello che si evidenzia sulla superficie terrestre.
Una carica in movimento q di velocità v come un elemento di circuito elettrico orientato ds
percorso da una corrente si producono rispettivamente in punto P identificato dal raggio
vettore r congiungente la posizione istantanea della particella o dell’elemento di circuito o un
vettore di induzione magnetica B e dB dati da:
1) B = α(qvX r)/r
3
3
2) dB = α i(dsXr)/r
Avendo indicato con con α un fattore di proporzionalità (pari a 4π 10-7 nel sistema MKS) e con
X il prodotto vettoriale.
Il vettore induzione risultante è perpedicolare al piano formato da ds ed r o v ed r, ha il
modulo pari a vrsen θ e direzione data dal senso di avanzamento della vite destrogira da v o
ds a r.
A sua volta una carica q in moto con velocità v od un elemento di un circuito ds percorcorso
dalla corrente i in campo di induzione magnetica B sono soggette alla forza:
3) F = qvXB
4) F = idsXB
Dunque una particella carica in moto in uno spazio dove esiste un campo B subisce una
deviazione dovuta ad una forza costantemente perpendicolare alla sua velocità ed alla
direzione di B cioè i alle linee del campo. Si può verificare che essa assumerà una traiettoria a
spirale attorno a queste stesse linee.
Il vento solare
Con vento solare si indica il flusso di particelle elementari (in gran parte elettroni e protoni)
emesse dal sole che investono la Terra. Tale flusso è particolarmente intenso quando le
macchie solari ed i brillamenti sono più intensi ed essendo costituito da particelle cariche porta
con sé anche un campo magnetico che viene ad interferire con quello terrestre
Fine prima parte
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