Scoperto un campo elettrico che avvolge la Terra: cos’è e cosa rivela la NASA

Gli scienziati della NASA, con uno studio pubblicato sulla rivista Nature, hanno scoperto l'esistenza di un debole campo elettrico planetario che avvolge la Terra tra le quote di 250 e 768 km dalla superficie. Il nostro pianeta, quindi, non è dotato solo di un campo gravitazionale e di un campo magnetico, ma anche di un terzo campo elettrico che riveste un ruolo fondamentale nella dinamica e nell'evoluzione planetaria. Il campo elettrico terrestre viene detto campo "ambipolare", poiché genera un movimento in direzioni opposte sia di elettroni che di ioni positivi. Esso ha un ruolo chiave nei meccanismi di fuoriuscita delle particelle cariche dall’atmosfera in corrispondenza dei poli Nord e Sud e modifica anche la forma dell'atmosfera terrestre stessa, in particolare aumentandone l'altezza di scala.

Teorizzato fin dagli anni '60, questo campo elettrico è sempre stato di difficile rilevazione, e solo grazie ad una missione specifica della NASA , la missione Endurance, esso è stato finalmente misurato: pensate che la sua tensione è di soli 0,5 Volt, più o meno corrispondente a quella di una comune batteria da orologio, ma abbastanza da vincere la forza gravitazionale e generare un flusso di particelle cariche che fuoriescono dall'atmosfera terrestre.

Come è stata teorizzata l'esistenza del campo elettrico terrestre

Gli scienziati sospettavano l'esistenza di un campo elettrico planetario sin dall'epoca delle prime missioni spaziali negli anni '60. Alcuni satelliti lanciati in quel periodo, infatti, nel sorvolare le regioni polari del nostro pianeta, avevano misurato un flusso di particelle cariche che si muoveva dalla nostra atmosfera verso lo spazio esterno, chiamato "vento polare". Questo flusso era stato misurato in particolare ad alte quote, nella ionosfera, la regione in cui sono presenti i gas ionizzati (atomi o molecole aventi elettroni rimossi) dalle radiazioni solari.

Inizialmente gli scienziati avevano ipotizzato un meccanismo per cui la radiazione solare scaldasse le particelle fornendo abbastanza energia da vincere l'attrazione gravitazionale e sfuggire all'atmosfera terrestre, tuttavia ci si rese conto che quello non era il processo giusto, visto che le particelle erano sì veloci, ma fredde, cioè con poca energia termica, per cui doveva esserci un altro meccanismo che le spingesse alle velocità di fuga necessarie da disperdersi nello spazio. L'indiziato più probabile era un qualche tipo di campo elettrico planetario, tuttavia gli strumenti dell'epoca non erano abbastanza sensibili da misurarlo.

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Di Stefano Gandelli

Come è stato misurato il campo elettrico terrestre

Ed è qui che entra in gioco la missione Endurance della NASA. Ideata nel 2016, la missione consisteva nel lancio di un volo sub-orbitale nei pressi del polo Nord, di modo da volare con degli strumenti specifici attraverso questo vento polare di particelle. Il razzo è partito l'11 maggio 2022 dalla base di lancio spaziale più a nord del pianeta, nelle isole Svalbard, raggiungendo una altezza massima di 768 chilometri e seguendo, nei 19 minuti della missione, una traiettoria sub-orbitale lunga 518 chilometri.

Nel corso del volo, gli strumenti di bordo sono finalmente riusciti a provare l'esistenza del campo elettrico terrestre, misurando una differenza di potenziale di soli 0,55 Volt, praticamente la tensione di una batteria da orologio, tra le quote di 250 e 768 km dalla superficie terrestre. Sebbene piccolo, questo valore era esattamente quello necessario a spiegare la fuga di particelle dall'atmosfera.

Come funziona il campo elettrico ambipolare

Il debole campo elettrico terrestre inizia intorno ai 250 km di altitudine, alla base della ionosfera terrestre dove la radiazione solare strappa gli elettroni dagli atomi che compongono i gas atmosferici generando un insieme di elettroni carichi negativamente e ioni carichi positivamente.

Elettroni e ioni hanno una massa molto diversa, con gli elettroni talmente leggeri che basta una piccola spinta (energia) per farli sfuggire dall'attrazione gravitazionale terrestre. Al contrario, se consideriamo lo ione idrogeno, fatto da un solo protone, esso è 1836 volte più pesante di un elettrone, per cui il campo gravitazionale terrestre, attraendo con maggior forza gli oggetti più pesanti, tende a far cadere gli ioni verso il suolo, creando una separazione tra ioni ed elettroni. Tuttavia, essendo particelle cariche in maniera opposta, questa separazione genera un campo elettrico che controbilancia in parte l'effetto della gravità.

Questo campo elettrico è "ambipolare" o bidirezionale, cioè genera un movimento in direzioni opposte sia di elettroni che di ioni positivi. Gli ioni tendono a trascinare con sè gli elettroni mentre affondano nell'atmosfera a causa della forza gravitazionale, mentre, al contrario, gli elettroni attraggono gli ioni sollevandoli verso altezze maggiori nell'atmosfera mentre tentano di scappare nello spazio.

L'effetto netto di questo campo magnetico "ambipolare" è quello di estendere l'altezza della ionosfera di ben il 271%, sollevando alcuni ioni (principalmente idrogeno ed ossigeno) ad una altezza tale da sfuggire nello spazio attraverso il vento polare. Gli ioni idrogeno, ad esempio, sperimentano una forza verso l'esterno che è circa 11 volte più potente della gravità terrestre, abbastanza da lanciarli nello spazio a velocità supersoniche.