Fasce di Van Allen e musica Rock



A cura di Franco Palerno, ricercatore di fisica della particelle presso l’Università di Boston

E’ una nozione abbastanza diffusa quella che la Terra sia circondata dalle Fasce di Van Allen, ma cosa soni queste fasce? Di cosa sono composte, che forma hanno, perché ci sono?

Alcune premesse:

Premessa uno, tutti (spero) sanno che la Terra è circondata da un campo magnetico (di cui magari parleremo in dettaglio in un articolo dedicato), generato dalla presenza di un nucleo fuso metallico in rotazione al centro del pianeta (effetto dinamo).

Premessa due, il Sole, oltre ad emettere radiazione elettromagnetica (fotoni), cioè semplificando luce e calore, emette anche quello che viene chiamato “vento solare”, in pratica un plasma composto da particelle, protoni ed elettroni cariche elettricamente. Bene, i fotoni, ovvero la luce, i raggi X i raggi gamma, non sono influenzati dai campi elettromagnetici, viceversa i protoni e gli elettroni che compongono il vento solare, carichi elettricamente, vengono influenzati e deviati da questi campi. Quindi le particelle cariche (elettroni, protoni) non sono in grado di attraversare le linee di forza di un campo magnetico, per cui l’incontro fra le particelle del vento solare, e il campo magnetico terrestre porta a due conseguenze: una distorsione del campo stesso, sotto la pressione del vento solare, e la deflessione delle particelle lungo le linee di forza del campo. Per cui le particelle vengono catturate e confinate in una zona attorno alla Terra, dove costituiscono delle vere e proprie fasce radioattive, dette di Van Allen dal nome dello scienziato che le scoprì. Quando l’energia delle particelle del vento solare aumenta, esse riescono a penetrare profondamente nell’atmosfera dando origine al fenomeno delle aurore boreali.

Per cui nelle fasce di Van Allen nonostante una falsa credenza diffusa fra molti, non sono assolutamente imprigionate radiazioni ionizzanti elettromagnetiche, come i raggi X e/o i raggi gamma, che sono mediate da fotoni, i quali non risentono di nessuna attrazione magnetica e quindi non vengono deviati dal campo magnetico terrestre (se i fotoni venissero deviati verrebbe deviata anche la luce visibile che dai fotoni è mediata). Sono presenti invece radiazioni alfa, ovvero nuclei di elio (protoni e neutroni) e radiazioni beta (elettroni), sensibili ai campi magnetici. Anzi, queste tre forme di radiazione possono venire separate da un campo magnetico, le particelle alfa, positive, piegano in una direzione, le particelle beta, negative, nella direzione opposta, e i raggi gamma, elettricamente neutri, non piegano affatto.

Ripeto:

Le particelle alfa sono nuclei di elio (protoni e neutroni):

Le particelle beta sono elettroni:

I raggi gamma sono fotoni:

I “raggi X”, la “luce visibile”, le “onde radio”, etc., sono tutti fotoni, a diverse energie. I raggi gamma sono fotoni di altissima energia.

I raggi gamma rappresentano il principale pericolo dato che possono penetrare ben dentro la materia, e distruggono i legami chimici.

I raggi alfa hanno una scarsissima capacità di penetrazione, possono viaggiare solo per pochi centimetri nell’aria, e vengono bloccati anche da spessi schermi cartacei o fogli di alluminio spessi meno di un millimetro, se a contatto con gli esseri umani vengono assorbiti negli strati più esterni della pelle provocando al più arrossamenti o leggere scottature, diventano molto pericolosi solo se ingeriti od inalati, provocando gravissimi danni e la morte.

Le radiazioni beta sono più penetranti delle alfa, possono viaggiare nell’aria per una decina di metri ma vengono comunque bloccate da lastre di alluminio o altri materiali, se a contatto con gli esseri umani possono provocare danni seri sino al derma profondo e agli occhi, e, se ingerite o inalate anche loro provocano danni gravissimi e la morte.

Le radiazioni gamma sono tra le più pericolose in quanto provocano ustioni profonde, mutazioni genetiche, cancro, ed in grandi quantità possono provocare la morte in pochissimo tempo (anche per contatto esterno). La loro pericolosità è anche dovuta al fatto che possiedono un altissimo potere di penetrazione, per ridurle del 50% occorrono schermature tipo, 1 cm di piombo o 6 cm di cemento, ma se le radiazioni sono molto alte una riduzione del 50% non basta, per cui in zone di pericolo (tipo centrali nucleari) è normale trovare schermature spesse alcuni metri.

Ma ripeto per l’ennesima volta nelle fasce di Van Allen NON SONO PRESENTI radiazioni gamma, cioè fotoni, per cui pur essendo comunque pericolose, con una adeguata schermatura esse possono essere attraversate. Certo non vi si può stazionare per lunghi periodi, o non si può effettuare attività extraveicolare al loro interno, ma l’attraversamento è possibile. E’ stato calcolato che gli astronauti delle missioni Apollo assorbirono delle radiazioni pari a qualche radiografia, o pari a quelle assorbite dalle persone che lavorano per anni con materiali radioattivi (con adeguate protezioni), personale medico, tecnici delle centrali nucleari, ricercatori ecc.

Non è un rischio zero ma sicuramente non mortale. E questo anche grazie a due fatti:

  • I tecnici della NASA pianificarono con cura la rotta “da e per” la Luna, impostando una traiettoria, che avrebbe consentito agli astronauti di attraversare le fasce di Van Allen nella maniera meno rischiosa, percorrendole in un tempo molto breve e nella zona più sottile. Inoltre data anche la grande velocità (circa 40.000 km/h), necessaria per lasciare l’orbita terrestre e raggiungere l’orbita lunare, il tempo impiegato ad attraversare le fasce, fu ridotto al minimo e ciò ridusse ulteriormente i tempi di esposizione che interessarono l’equipaggio. In pratica durante le missioni Apollo le fasce (nella parte più pericolosa) venivano attraversate in circa un quarto d’ora.
  • Inoltre le astronavi, lunari o non lunari che sia, sono costruite in metallo, e gli interni, nonché le tute degli astronauti sono realizzate con materiali plastici. Materiali in grado di garantire una alta “schermatura“.

Va segnalato inoltre che una zona delle fasce di Van Allen, denominata anomalia sud-atlantica (SAA, southern atlantic anomaly), cioè una propaggine che si estende sino ad una quota molto bassa, interseca l’altezza orbitale dei veicoli con equipaggio umano, ed infatti la stazione spaziale internazionale periodicamente attraversa tale anomalia, senza che gli astronauti (che ricordo restano sulla stazione per oltre sei mesi) abbia mai riportato danni, lesioni, o problemi, anzi molti astronauti sono stati più volte sulla ISS.

E neppure astronauti e cosmonauti che volarono in passato, orbitando attorno alla Terra con le missioni Mercury, Gemini e Soyuz o altro hanno mai riportato problemi.

Ed ora una breve storia sulle Fasce di Van Allen

Nei tardi anni 50′ il fisico John Van Allen analizzando i dati inviati da due satelliti (Explorer 1, il primo lanciato dagli USA e 3), rilevò la presenza di fasce di radiazione intorno alla Terra. Studiando i dati forniti egli ne appurò l’intensità, le particelle costituenti, ed anche la loro forma. Si capì subito che queste fasce non si estendevano uniformi in ogni direzione, vi erano aree con alti valori ed altre con valori molto inferiori. Si determinò così l’estensione precisa delle fasce appurando che esse hanno una forma approssimativamente toroidale (una ciambella col buco, e nel buco c’è la Terra). Inoltre, si constatò che erano, e sono, divise in due parti, una interna più densa e una esterna più blanda. A queste Fasce venne dato il nome del loro scopritore.

Rappresentazione della fascia di van Allen e delle linee di forza che la percorrono. Credit:NASA

Va ricordato infine che il campo magnetico e le fasce formano uno scudo radioattivo intorno alla Terra in grado di deviare buona parte delle radiazioni pericolose provenienti dal Sole e dallo spazio cosmico.

Infine un’ultima cosa, a volte ricevo domande sulle fasce, ma vi prego di ricordare, si chiamano fasce di Van Allen e non come mi capita a volte di dover leggere di Van Halen.

I Van Halen sono un gruppo musicale che iniziò a suonare ai tempi della mia (purtroppo) ormai lontana adolescenza, e comunque non sono troppo pericolosi neanche loro (almeno credo) ….

Ricordo come sempre che per la chiarezza e la comprensione ho semplificato alcuni concetti.

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Milky Way over Chilean Volcanoes

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