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.
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.
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(qvXr)/r3
2)
dB
= α i(dsXr)/r3
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
