Ambiente spaziale

9-Ionosfera

Strato di particelle cariche a quote da 120 Km in su, le ionosfere sono figlie delle atmosfere. Le

particelle ionizzate sono capaci di trasformare atomo o molecola neutra in uno ione o elettrone. Le

ionosfere sono generate dunque dalla ionizzazione di atomi o molecole neutre. Le particelle cariche

interagiscono con i campi magnetici e con i satelliti (in maniera positiva). Le ionosfere si originano

dal “balance” tra due fenomeni: la ionizzazione (perde un elettrone) e la ricombinazione (acquista

un elettrone).

-La Ionizzazione:

Avviene grazie ai raggi cosmici, di origine solare e galattica che colpiscono le particelle neutre

dell’atmosfera, strappando da queste gli elettroni, che di conseguenza diventano degli ioni. Oltre a

questi, si aggiunge il contributo dovuto all’elevata temperatura che le particelle raggiungono da una

parte grazie al riscaldamento provocato dall’irraggiamento solare e dall’altra dalla scarsa capacità di

un gas così estremamente rarefatto di raffreddarsi, e dunque è considerabile adiabatico.

-La Ricombinazione:

Avviene quando gli ioni catturano gli elettroni, riformando particelle neutre.

Quindi, quando la velocità di ionizzazione e ricombinazione processi diviene costante, si ha una

percentuale di ioni ed elettroni permanentemente separati, e di conseguenza una ionosfera. Una

calotta che circonda il nostro pianeta formata da plasma estremamente rarefatto e “freddo”! Infatti,

si trovano in esso ioni con un’energia compresa fra 0,1 e 0,3 eV (temperatura). 1eV=11.000K

La ionosfera è confinata in uno strato che circonda il pianeta chiamato “Chapman layer”:

Lo Strato di Chapman è lo strato in cui si estende la Ionosfera. Infatti, il flusso di raggi cosmici

viene gradualmente assorbito dalle particelle neutre dell’atmosfera tanto più penetra verso quote più

basse, in funzione anche dello spettro di assorbimento delle specie chimiche stratificate

nell’atmosfera, (l’atmosfera terrestre smette di essere una miscela omogenea di gas al di sopra dei

100 km). Oltre una certa profondità questo flusso di radiazioni ionizzanti viene completamente

assorbito, ed al di sotto cessa la produzione di ioni. Di conseguenza, ci si aspetta che ci sia una zona

dove è presente un picco della densità di ioni, ed uno strato dove la ionosfera raggiunge la sua

massima densità. Come mostra il grafico, questo picco è contenuto nello strato F2 dell’atmosfera a

circa 300 km di altitudine.

Posso definire il tasso di produzione di tasse ionizzate come segue:

Che dipenderà da 2 effetti, uno di ionizzazione (che va a zero quando l’atmosfera non

è illuminata dal Sole) e uno di ricombinazione.

Se voglio la percentuale di ionizzazione (particelle ionizzate rispetto ai neutri):

10-Magnetosfera

La magnetosfera è la regione dove avviene l’interazione tra il campo magnetico del pianeta e il

vento solare (flusso di particelle).

La magnetosfera della Terra inizia ad altitudini superiori ai 700 km e termina dove il campo

magnetico della Terra è confinato dal vento solare (magnetopausa).

Le cinte di radiazioni (fasce di Van Allen) rappresentano il fenomeno magnetosferico più

importante.

La fascia di Van Allen è un toroide di particelle cariche (plasma) all'interno della magnetosfera

terrestre trattenute dal campo magnetico terrestre per effetto della forza di Lorentz. Queste

particelle cariche "urtandosi" tra loro perdono energia cinetica sotto forma di radiazione che

raggiunge i 30 keV.

L’attività magnetosferica è responsabile di molti caricamenti di satelliti GEO, le particelle

energetiche intrappolate sono responsabili di problemi elettronici e degradazione dei pannelli solari,

inoltre mettono a rischio le attività umane nello spazio.

11-Movimento delle Particelle Cariche

Un campo magnetico statico non cambia l’energia delle particelle poiché non compie lavoro, se è

presente un campo elettrico E, le particelle deviano con velocità costante. Ioni ed elettroni deviano

nella stessa direzione, l’energia delle particelle cambia, il campo magnetico cambia lentamente il

suo modulo ma le forze magnetiche non producono alcun lavoro.

La deviazione longitudinale delle particelle cariche è dovuta al gradiente del campo magnetico ed è

responsabile della corrente ad anello. Dunque, le fasce di Van Allen sono all’origine della corrente

ad anello.

Le linee di forza del campo magnetico sono come dei binari per le particelle, possiamo calcolarci la

frequenza di Larmor, il raggio di Larmor (raggio della spirale) e l’angolo di inclinazione della

spirale:

Una certa particella arriva, ad esempio, arriva sull’equatore, è più probabile che essa venga

imbottigliata se possiede più energia cinetica parallela che perpendicolare o viceversa?

Effettivamente se una particella ha poca energia parallela c’è più possibilità che venga frenata

subito, se invece si ha più energia cinetica parallela si ha il contrario. La condizione di

intrappolamento è la seguente:

Sapendo che il campo magnetico ai poli è circa il doppio rispetto all’equatore, abbiamo che B0/Bl è

½, dunque l’angolo di pitch è circa 45°, dunque una particella per essere intrappolata deve avere un

angolo di pitch di circa 45°.

Il flusso massimo ce l’abbiamo a 90°, ovviamente, poiché abbiamo solo energia perpendicolare.

In prossimità dell’anomalia sud-atlantica le fasce di radiazione arrivano più vicine alla Terra, i

flussi di particelle energetiche sono maggiori.

12-Corrente ad Anello

Una corrente ad anello è una corrente elettrica trasportata da particelle cariche intrappolate nella

magnetosfera di un pianeta. È causato dalla deriva longitudinale di particelle energetiche. Corrente

che circonda la Terra, responsabile del 2% della decrescita del campo magnetico. Elettroni e ioni

ruotando in sensi opposti generano la corrente ad anello, generata dunque dalle particelle delle fasce

di radiazione.

La corrente ad anello è prodotta dalla deriva intorno alla Terra di particelle cariche della fascia

esterna di radiazione di Van Allen. In condizioni di quiete l'effetto di questa corrente sulla

superficie terrestre è trascurabile (circa 20 nanoteslas). Una o due volte al mese si verifica un

fenomeno noto come tempesta magnetica, durante il quale l'intensità della corrente dell'anello

aumenta e produce disturbi che sono in genere dell'ordine di 100 nanoteslas, ma può essere grande

come 500 nanoteslas.

Ricapitolando, il campo magnetico della Terra causano 3 diversi tipi di movimento delle particelle:

Quindi la somma di questi 3 movimenti delle particelle genera la corrente ad anello, questa corrente

però ha senso orario, quindi il campo magnetico generatore punta verso sud, ma siccome il campo

magnetico della terra punta verso nord, la corrente ad anello provoca una diminuzione del 2%.

13-Plasma

In fisica e chimica, il plasma è un gas ionizzato, costituito da un insieme di elettroni e ioni e

globalmente neutro (la cui carica elettrica totale è cioè nulla). In quanto tale, il plasma è considerato

come il quarto stato della materia, che si distingue quindi dal solido, il liquido e l'aeriforme, mentre

il termine "ionizzato" indica che una frazione significativamente grande di elettroni è stata strappata

dai rispettivi atomi. Il plasma è un gas quasi neutro di particelle cariche e neutre che presenta un

comportamento collettivo, ovvero masse di ioni ed elettroni possono muoversi in maniera ordinata.

In fisica, la lunghezza di Debye è la distanza spaziale entro la quale le cariche elettriche mobili

schermano il campo elettrico all'interno di un plasma o di altri insiemi di cariche, ovvero è la

distanza entro la quale si verifica separazione di carica in modo significativo. Dunque, al di fuori di

questa lunghezza il plasma appare neutro, questo perché una particella carica a questa distanza non

è affetta dalla perturbazione del campo elettrico.

La lunghezza di Debye rappresenta la scala fisica della transizione dalla collettività plasmatica al

comportamento delle singole particelle. Le sue interfacce tra la fisica delle micro e macro-scale e la

sua definizione tecnica e gli attributi dettagliati sono cruciali per la ricerca teorica e sperimentale di

fisica del plasma.

14-Distribuzione di Maxwell Boltzmann

La distribuzione di Maxwell-Boltzmann è una funzione di distribuzione delle particelle con una

certa energia, in un sistema che obbedisce alle leggi della fisica classica: fornisce cioè la probabilità

che una particella abbia un'energia compresa fra E e E+ dE, oppure una velocità V e V + dV.

15-Spacecraft Charging

Un satellite esposto all’ambiente spaziale può raggiungere grandi potenziali, inoltre si possono

verificare delle differenze di potenziale che possono avere conseguenze pericolose.

Bombardando un satellite, nel vuoto, con elettroni a potenziale V=2kV (esempio), il satellite si

carica negativamente, ma quando si ferma il processo? Quando il satellite si carica a -2kV.

Il charging è un fenomeno molto importante, poiché quando un satellite si carica ad un potenziale

molto elevato può dar vita a scariche elettrostatiche (questo a causa delle parti isolanti che non si

caricano subito) che possono danneggiare l’elettronica di bordo.

Il potenziale assunto dal satellite, rispetto al plasma, è ottenuto ponendo la somma delle correnti

pari a zero.

Quali sono le cariche elettriche che danno origine a questo potenziale?

Ci concentreremo su:

1) Elettroni termici, gli ioni termici

2) Fotoelettroni (ionosfera) attraverso il così detto effetto fotoelettrico +