Un nuovo campo energetico della Terra contribuisce alla perdita di atmosfera nello spazio

Teorizzato da decenni, è un debole campo elettrico globale che regola la fuoriuscita di materiale atmosferico verso lo spazio ed è stato per la prima volta rilevato e misurato dalla missione Endurance della NASA
di Emiliano Ricci
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Un vento silenzioso e invisibile soffia costantemente dai poli della Terra verso lo spazio, portando via con sé particelle cariche a velocità supersoniche. Questo fenomeno, noto come “vento polare”, ha lasciato perplessi gli scienziati per decenni. Ma ora si è finalmente scoperto il meccanismo che lo genera: un debole campo elettrico globale, chiamato “campo elettrico ambipolare”.

A compiere la prima rilevazione diretta di questo campo, di cui da decenni si sospettava l’esistenza, è stata la missione Endurance, della NASA, lanciata dalle isole Svalbard, un arcipelago a nord della Norvegia, l’11 maggio 2022, proprio con l’obiettivo di studiare l’elettricità globale nella ionosfera terrestre. Il razzo, nel suo volo suborbitale, ha raggiunto un’altitudine di circa 770 chilometri durante un viaggio di 19 minuti, raccogliendo dati fondamentali sulla struttura e l’intensità del campo elettrico ambipolare, che era stato teorizzato per oltre 60 anni, ma mai misurato prima con precisione.

“L’atmosfera terrestre perde materia verso lo spazio fin dalla formazione del sistema solare”, spiega a “Le Scienze” Glyn Collinson, responsabile scientifico della missione Endurance al NASA Goddard Space Flight Center e primo autore dello studio appena pubblicato su “Nature”. “Questa fuoriuscita di particelle è un processo complesso, a più fasi, con numerose cause che ancora non sono ben comprese. Capire come ciò avvenga è importante per comprendere l’evoluzione dell’atmosfera terrestre e anche per prevedere l’impatto delle tempeste geomagnetiche.

“Il razzo Endurance ha effettuato la prima misurazione diretta del campo elettrostatico ambipolare della Terra, una forza debole e diffusa su tutto il pianeta, fondamentale per guidare la fuoriuscita di ioni dall’alta atmosfera verso lo spazio” aggiunge Collinson. “Il nostro lavoro conferma un’ipotesi a lungo sostenuta sull’esistenza del campo, sulla sua forza e sul suo ruolo significativo nel modellare la ionosfera, in particolare attraverso la sua influenza sul vento polare.”

Il campo elettrico ambipolare è un fenomeno che si verifica nella ionosfera terrestre, la regione dell’atmosfera ricca di particelle cariche, compresa fra 50 e 1000 chilometri sopra la superficie terrestre. Il meccanismo alla base della sua formazione è legato al comportamento delle particelle cariche, ovvero elettroni e ioni, presenti in questa zona, prodotti dall’interazione della radiazione solare con atomi e molecole presenti nell’alta atmosfera.

Elettroni che fuggono
A causa della loro differenza di massa, gli elettroni, molto più leggeri rispetto agli ioni (la massa di un nucleo di idrogeno – ovvero di un protone – è circa 2000 volte maggiore di quella di un elettrone), una volta liberi dal vincolo atomico, possono fuggire più agevolmente dall’atmosfera, anche se con basse energie, mentre gli ioni, significativamente più pesanti, sono più sensibile alla gravità e quindi tendono a spostarsi verso il basso. Questo movimento differenziale fra particelle cariche negativamente (gli elettroni) e quelle cariche positivamente (nuclei atomici) crea una separazione di carica che genera un campo elettrico.

Così, il campo ambipolare funge da forza di bilanciamento: contrasta il moto naturale degli elettroni verso l’alto e degli ioni verso il basso, riducendo la separazione di carica. Il risultato è che gli ioni, nonostante la loro maggiore massa, possono essere accelerati verso l’alto, trasportati fino a quote più alte dalla forza del campo ambipolare. Proprio questo meccanismo permette loro di contribuire al vento polare, il flusso di particelle cariche che viene continuamente espulso nello spazio dalla Terra. Il campo elettrico ambipolare svolge quindi un ruolo cruciale nel permettere la fuga delle particelle cariche dall’atmosfera terrestre, un fenomeno che contribuisce alla perdita lenta ma continua di materiale dalla nostra atmosfera nello spazio.

Un aspetto rilevante della scoperta è l’analisi chimica delle particelle che compongono il vento polare.

“Gli ioni leggeri, come gli ioni idrogeno (H⁺) e gli ioni elio (He⁺), sono accelerati a velocità supersoniche e fuoriescono dalle linee di campo magnetico aperte sulle calotte polari: è appunto questo fenomeno a essere chiamato vento polare; questo flusso in uscita è stato osservato per decenni ed è stato uno dei principali elementi di prova che hanno suggerito che la Terra deve avere, per spiegarlo, un campo energetico aggiuntivo oltre alla gravità e al magnetismo”, prosegue Collinson. “Tuttavia, sappiamo che la maggior parte della ionosfera è costituita da ioni più pesanti, come l’ossigeno (O⁺). Ora, anche se questi ioni sono troppo pesanti per essere accelerati a velocità di fuga, i nostri dati dimostrano per la prima volta che il campo ambipolare è capace di trascinarli verso la magnetosfera, dove altri meccanismi possono energizzarli per la fuga. Di conseguenza, la ionosfera è più densa ad altitudini più elevate e, senza il campo ambipolare, non ci sarebbe alcuna fuga di ioni pesanti verso lo spazio.”

Come una piccola batteria
Secondo i dati raccolti dalla missione Endurance, da 250 chilometri di quota fino alla quota massima raggiunta dal razzo, pari a 768 chilometri, la caduta di potenziale osservata è di 0,55 volt, praticamente quella di una batteria che permette il funzionamento di un orologio da polso. Ma, nonostante l’intensità così bassa, questo campo elettrico è comunque sufficiente a spiegare in maniera completa il fenomeno osservato. Come spiega ancora Collinson, la comprensione del ruolo del campo ambipolare nella fuga degli ioni ha implicazioni significative per la meteorologia spaziale, poiché influenza direttamente la composizione del plasma nella magnetosfera e nell’esosfera terrestre. Se si vuole modellizzare l’impatto delle tempeste geomagnetiche, è infatti necessario tenere conto correttamente di tutto il contenuto di plasma, poiché se l’alta atmosfera è inondata di ioni pesanti come O⁺, le differenze saranno notevoli.

Il successo della missione Endurance apre la strada a nuove ricerche per capire meglio come questi fenomeni influenzino la perdita di atmosfera nel tempo, un processo che potrebbe rivelarsi fondamentale per comprendere la storia della vita sulla Terra e la possibilità di abitabilità su altri pianeti.

“Probabilmente abbiamo una migliore comprensione della fuga di ioni e delle sue conseguenze su Marte che sulla Terra: ciò che è assolutamente necessario è una missione satellitare focalizzata a svelare i misteri della dispersione dell’atmosfera terrestre”, afferma Collinson. “Nel frattempo, la NASA ha appena annunciato la selezione della nostra prossima missione spaziale. Chiamata Resolute, sarà il primo studio dedicato alla fuga di azoto nello spazio. L’azoto è fondamentale per mantenere la pressione atmosferica della Terra ed è essenziale per la vita, ma non abbiamo mai avuto la tecnologia per studiare in modo specifico la fuga di azoto.”

Quel che è certo è che questa scoperta segna una pietra miliare nello studio delle interazioni tra il nostro pianeta e lo spazio, aprendo nuove prospettive sul ruolo che il vento polare potrebbe avere nel lungo termine.