La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Franco Alladio Associazione Euratom-ENEA sulla Fusione, Frascati Liceo Touschek, Grottaferrata 20 Novembre 2014 La Dinamo Solare, la Geodinamo e le Dinamo.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Franco Alladio Associazione Euratom-ENEA sulla Fusione, Frascati Liceo Touschek, Grottaferrata 20 Novembre 2014 La Dinamo Solare, la Geodinamo e le Dinamo."— Transcript della presentazione:

1 Franco Alladio Associazione Euratom-ENEA sulla Fusione, Frascati Liceo Touschek, Grottaferrata 20 Novembre 2014 La Dinamo Solare, la Geodinamo e le Dinamo Planetarie: Uragani di plasma magnetizzato sul Sole Uragani di leghe del Ferro all'interno del Globo Terrestre Uragani di materia ancor piu’ strana nei Pianeti Giganti

2 Per apprezzare la complessita' che la materia mostra nei suoi comportamenti l’attivita’ magnetica del Sole (Dinamo Solare) puo’ essere un magnifico esempio: una meteorologia di filamenti di plasma magnetizzati e rotanti che svolge nel terzo piu’ esterno del Sole lo stesso ruolo che nuvole e fluidi svolgono nelle atmosfere planetarie… …come l'acqua sulla Terra ed il metano su Titano Ricetta della Dinamo: partire un fluido che conduca elettricita’ e calore Rimescolare con: espansioni, spinte di Archimede, rotazioni, viscosita’ Insaporire con: (transizioni di fase e) un pizzico di correnti elettriche! Sole raggi X (falsi colori)

3 Un plasma e’ essenzialmente un gas (completamente) ionizzato ovvero dissociato in elettroni e nuclei del tutto slegati e quindi conduttore cosi’ chiamato da Debye (1928) perche’ “plasmabile” con campi magnetici Debije 1928 Il Sole pero’, diversamente dai pianeti, e' costituito di plasma Plasma si diventa: qualunque materiale arroventandolo abbastanza

4 Il plasma costituisce il 99% della materia visibile, se molto caldo e’ privo di atomi neutri, in tal caso non puo’ di reagire chimicamente ne’ far transizioni di fase Viceversa i plasmi sono capaci di condurre corrente elettrica anche meglio dei metalli, quindi producono facilmente campi magnetici propri Se poi il plasma si muove in modo macroscopico (fluido conduttore), la situazione si complica: il moto crea nuovo campo magnetico ed il campo magnetico a sua volta influenza il moto I plasmi sono sempre ‘animati’ da fenomeni auto-organizzati (e talvolta in modo perverso!) Plasma: si arroventa ma diventa capriccioso

5 Ad esempio le sfere di plasma rotanti e magnetizzate …sia come oggetti di laboratorio dal raggio di 1.4 m …che come stelle di diametro 1.4 miliardi m MAST, esperimento per la fusione a confinamento magnetico, Culham (UK) tendono a filamentarsi Filamenti: il capriccio di sfrangiarsi

6 Corrente elettrica I filamenti magnetizzati, qui si usera’ anche il termine “tubi di flusso”: strutture che contengono al loro interno campo magnetico e corrente elettrica Campo magnetico Un modello semplificato di un filamento magnetizzato Modelli piu’ realistici di filamenti magnetizzati Filamenti magnetici

7 Le linee di campo magnetico in presenza di corrente se non si ‘spezzano’ oscillano proprio come molle, parte delle spire possono scappar via di sguincio come molle se ”troppo avvolte”, oppure come molle si srotolano se “poco avvolte”. La forza che si esercita sulla materia in presenza di campo magnetico e corrente elettrica e’ detta “Forza di Lorentz” Quanto piu’ il plasma e’ un buon conduttore, tanto piu’ non puo’ discostarsi dalle linee magnetiche: advezione magnetica Spostare le linee di campo implica alterare le correnti elettriche: flussi materia → correnti Filamenti e Magnetoidrodinamica Alfvén 1942 fondatore della Magnetoidrodinamica Il plasma fluisce invece lungo le linee magnetiche con facilita’: ecco perche’ le linee di campo si “vedono”

8 1 Sept Sept 2008 Massimo solare Minimo solare Galileo 1610 Schwabe 1844 Scopre la periodicita’ di 11 anni nel numero delle macchie solari Il primo disegno delle macchie solari Diagramma a “farfalle” di Spörer (1860) Descrive intensita’ e latitudine delle macchie solari Le Macchie Solari

9 Hale 1908 scopre che il Sole e’ magnetizzato Il Sole si comporta come un Dipolo = magnete a sbarra che ogni ≈11 anni si rovescia di polarita’ Verde e viola: polarita’ opposte del campo magnetico Il campo dipolare medio sulla superficie del Sole e’ circa un Gauss Il Dipolo: un magnete a sbarra

10 Giallo e blu: le polarita’ opposte del campo magnetico L’inclinazione angolare dei fori d’uscita delle Macchie opposta sui due emisferi In realta’ le Macchie appaiono in coppia, come se un magnete a ferro di cavallo fosse presente sotto la superficie del Sole La danza delle Calamite Solari l campi delle Macchie Solari possono aver l’intensita’ di alcune migliaia di Gauss

11 Doppia dinamo: 2 macchine sottoposte alla stessa coppia, ma vicine (accoppiate magneticamente) Le correnti in entrambe le dinamo oscillano tra valori positivi e negativi Plasma e campo non si staccano …ma il campo si spegne! …la resistenza finita dei conduttori tempo di diffusione magnetica (effetto resistivo-Joule, …stufa elettrica) lo fa scomparire nel “tempo di diffusione magnetica” Sole: 1 Miliardo di anni …invece le correnti si rovesciano ogni 11 anni Terra: anni …le correnti rovesciate con periodi da a 35 Milioni di anni Semplice dinamo con disco conduttore: il moto ha un salto di velocita’ sui contatti il circuito della corrente ha una precisa elicita’ (che dipende dal verso di rotazione del disco) La Dinamo a Disco sottoposta a coppia meccanica produce corrente Larmor 1919 propone come meccanismo generativo della dinamo il moto di fluidi conduttori Effetto Dinamo: dalle Biciclette ai Corpi Celesti

12 Cowling 1933 Chiarisce con il suo “Anti-dynamo Theorem” che il moto del non puo’ essere 2 dimensionale Flusso 3D laminare I Flussi di Materia dell’Effetto Dinamo L’eccitazione di correnti dinamo a partire da zero e’ impossibile in un sistema che ruota in modo perfettamente simmetrico* Neppure un preesistente momento di dipolo magnetico (calamita a sbarra) puo’ essere mantenuto da un flusso di materia che ruota solo rispetto ad un asse Infine una dinamo non puo’ essere sostenuta solo da un flusso 2-dimensionale, bensi’ da un flusso di materia che dipende da tutte e 3 le coordinate spaziali! Backus 1957 Trova il primo esempio di Dinamo 3D * Occorre soddisfare in una sfera conduttrice rotante le caratteristiche della Dinamo a Disco: 1) salti di velocita’ nei flussi e 2) elicita’ nelle correnti: tutta la materia conduce: i moti possono cortocircuitare le correnti interazione reciproca: flussi di materia → correnti che sono sorgente di campi magnetici e forzano i flussi di materia: correnti → flussi di materia Flusso 3D turbolento

13 Pece, altissima viscosita’ Miele, alta viscosita’ e diffusione viscosaAcqua, bassa viscosita’ Diminuendo la viscosita’, il flusso di materia si fa turbolento, con vortici su scale sempre piu’ piccole, che provvedono a dissiparne l’energia La turbolenza secondo Leonardo E’ la turbolenza (non Bernouilli) a far volare gli aerei… Viscosita’ e Turbolenza nei Flussi di Materia Reynolds* 1895 Numero di Reynolds* =rapporto tra Tempi (tempo rotazione vortici/tempo smorzamento viscoso)

14 Proudman e Taylor 1917 Chiariscono che in un corpo celeste rotante la vorticita’ di un fluido conduttore non viscoso ed in assenza di correnti elettriche deve allinearsi con l’asse di rotazione Il Teorema di Proudman-Taylor indica che un corpo celeste rotante tenderebbe a produrre solo vortici colonnari (che ostacolano la convezione termica verso la superficie) entro un corpo celeste conduttore si innescano correnti elettriche e campi magnetici che introducendo la Forza di Lorentz consentono la convezione termica* convezionetermica Effetto Dinamo: Correnti Elettriche per la Convezione Termica (=spinta di Archimede) *Magnetoconvezione in cui le correnti elettriche si addensano in strati e filamenti

15 La tempesta solare di Halloween 2003 Magnetosfera terrestre vista in emissione di ioni He + (viene schiacciata dalla tempesta solare) Prima della tempesta Al termine della tempesta Durante i Massimi delle macchie solari gli effetti del magnetismo solare si abbattono sulla Magnetosfera Terrestre Magnetosfera: la Terra si difende

16 Ma anche durante i Minimi Solari vi sono emissioni di particelle da “buchi coronali” che in tali circostanza scendono verso l’equatore del Sole Minimi Solari Magnetosfera: sempre sotto attacco

17 Moltri altri pianeti del sistema solare sono dotati di campo magnetico proprio e quindi ‘difesi’ da Magnetosfere rispetto all’attivita’ solare Le Aurore Polari sono gli effetti delle particelle solari che penetrano nelle cuspidi polari delle Magnetosfere Magnetosfere Planetarie

18 Stella LL Orionis Onda d’urto arcuata Turbolenza Elioguaina L’effetto esteso dei campi magnetici stellari: le Eliosfere Magnetosfere anche per le Stelle: chi la fa l’aspetti!

19 Il colloquio tra Dinamo Solare e Magnetosfera Terrestre SOLE TERRA

20 “Nucleo” del Sole (1/4 del raggio): plasma denso fino a 10 volte l'oro, temperatura tra i 15 e 7 milioni ºC: qui avvengono le reazioni di fusione nucleare che forniscono l’energia alla Stella “Zona Radiativa” (fino a 2/3 del raggio) energia propagata per assorbimento e riemissione elettromagnetica: densita’ da quella dell'oro a 1/5 dell’acqua, temperatura da 7 a 2 milioni ºC; la radiazione vi permane per circa 200mila anni! …non vi sono moti convettivi nel plasma “Zona Convettiva” (1/3 piu’ esterno del raggio); densita’ da 1/5 dell'acqua a 1/10000 aria, temperatura da 2 milioni ai 5700 ºC della “Fotosfera” (la superficie visibile) “Corona Solare”, meno densa della “Fotosfera” ma temperatura risale fino a 3 milioni ºC Struttura radiale del Sole

21 Nella “Fotosfera” e nella sovrastante “Cromosfera” (spessa ‘solo’ 2000 km) appare chiaro il reticolo delle celle convettive costituito da “Granuli solari” di diametro superiore ai 1000 km Convezione termica alla superficie del Sole

22 Tuttavia oltre al ‘tranquillo’ reticolo di celle convettive appaiono le “Macchie Solari” costituite da coppie di polarita’ magnetica opposta A parte la struttura a “dipolo magnetico” il campo magnetico che fuoriesce dal Sole e’ in gran parte dovuto alle “Macchie Solari” Macchie e Dipolo

23 Le strutture magnetiche associate alle Macchie Solari ruotano solidali con la rotazione della Fotosfera Ma cosa accade al di sotto? Dinamo Solare: superficie e abissi

24 L’Eliosismologia e' la tecnica ottica che misura le proprieta' interne del Sole tramite l'osservazione delle onde che agitano come terremoti la "Fotosfera” (la superficie visibile del Sole) ha rivelato una complessita' impensata di fenomeni L’Eliosismologia ha rivelato la struttura interna del Sole nel sua meta’ raggio piu’ esterna  e soprattutto la “Rotazione differenziale” del Sole Mappa del periodo di rotazione su se’ stesso del Sole rotazione rigida in 28 giorni della “Zona Radiativa” “Zona Convettiva”: 25 giorni all’Equatore, 34 ai Poli brusca discontinuita’ nella rotazione a 2/3 del raggio Eliosismologia: guardare dentro il Sole Gough 1975 Eddington 1926

25 La rotazione differenziale del Sole: la Tacoclina La transizione tra la “Zona Convettiva” e la “Zona Radiativa” e’ detta “Tacoclina”: e’ spessa meno del 4% del raggio del Sole e coincide con la discontinuita' di rotazione del Sole: sopra la Tacoclina rotazione differenziale sotto la Tacoclina rotazione rigida Brown, Libbrecht, Schou 1985

26 L’ Eliosismologia, riesce a “vedere” la struttura del campo magnetico delle “Macchie Solari” fino a quasi km sotto la “Fotosfera” e ne conferma la natura di tubi di flusso e corrente che emergono dalla “Zona Convettiva” Dalle “Macchie Solari” in realta’ fuoriescono “Tubi di flusso” con linee di forza avvitate ad elica: questo indica che i “Tubi di flusso” sono percorsi da intense correnti elettriche: “Tubi di flusso e corrente” Filamenti avvolti

27 I “Tubi di flusso e di corrente” con linee avvitate ad elica provengono dalle Profondita’ della “Zona Convettiva” Corrente elettrica Emergere dall’Inferno

28 Tramite la advezione magnetica la rotazione differenziale distorce le linee di campo magnetico e lo fa essenzialmente sulla Tacoclina La trasformazione del campo dipolare (da polo a polo) in campo toroidale (lungo i paralleli) Distorsioni sulla Tacoclina Nella “Zona Convettiva” la pressione del plasma domina sulla pressione magnetica: si ha un’advezione magnetica in cui i campi seguono il plasma Effetto “Ω”: Trasforma il campo lungo i meridiani in campo toroidale Velocita’ angolare del Sole Zona radiativa ⇚ ⇛ Zona convettiva

29 Sulla Tacoclina e’ presente un accumulo di linee di campo magnetico quasi allineate alla direzione toroidale (ai paralleli) L’intenso calore che giunge dalla “Zona Radiativa” sulla Tacoclina la puo’ perturbare e certe linee di campo magnetico si destabilizzano Tubi di flusso si distaccano dalla Tacoclina, il loro campo magnetico interno li fa espandere, la loro materia si rarefa’ e per la spinta di Archimede galleggiano nel plasma circostante e risalgono come palloni aerostatici verso la Fotosfera Se sono “molle” sufficientemente avvolte (ovvero se contengono al loro interno abbastanza corrente elettrica) raggiungono la Fotosfera e la forano con le due polarita’ magnetiche delle Macchie Archimede

30 da tale “oceano” si alzano come "nuvole" filamenti magnetizzati di plasma che ruotano al loro interno come uragani, se l’uragano non e’ abbastanza avvolto (ovvero se la corrente elettrica che contiene non e’ sufficiente) si disfa lasciando ripiovere il suo campo magnetico sulla Tacoclina La meteorologia dei filamenti di plasma magnetizzati e rotanti sul Sole Dinamo Solare = Meteorologia La "Tacoclina” oltre ad ospitare la discontinuita' di rotazione del plasma puo’ esser vista come un vero e proprio "oceano" di campo magnetico “pioggia” che parte da sopra la Fotosfera 

31 (Simulazioni numeriche) Dinamo Solare: la base dei tubi di flusso sulla Tacoclina Parker 1975 L’Eliosismologia non ha la sensibilita’ per arrivare a distinguere i campi magnetici 200mila km sotto la Fotosfera (max 20mila km)

32 I dati sulla velocita’ delle onde eliosismiche mostrano una gobba inaspettata sulla tacoclina: Campo ordinato su superfici magnetiche nella tacoclina? (Fase -1) Campo meno ordinato nei filamenti ? (Fase -2) Campo ergodico nei filamenti che si frantumano e ricadono sulla tacoclina? (Fase -3) Riconnessioni magnetiche possono rilasciare calore latente, quasi fossero transizioni di fase? Ebollizione nucleataEbollizione a strati La Tacoclina in “ebollizione” : una Transizione di Fase?

33 Analogie: Velocita’ del suono nelle transizioni di fase triple del Petrolio: gas-liquido-paraffina Velocita’ del suono nelle transizioni di fase Triple Ebollizione nucleata e strati dell’acqua La Tacoclina in “ebollizione” : una Transizione di Fase?

34 Fotosfera: magnetogramma Dinamo Solare sulla Fotosfera: le Macchie Solari come Uragani Eliosismologia: Profondita’ Km Eliosismologia Km

35 Convezione termica dell’aria su un oceano caldo transizioni di fase (vapore, pioggia, grandine) fenomeni elettrici (fulmini) effetti chimici (grani e polveri) Sulla Terra gli Uragani sono associati alla forza di Coriolis, la forza apparente che si esercita in in sistema rotante su quel che si muove  La forza di Coriolis cerca di spegnere la convezione termica contenendola a ruotare sono le transizioni di fase che continuano ad alimentare l’Uragano! Uragano (Terra) Uragano inverso (Sole) Le Macchie solari come Uragani Uragani Coriolis 1831

36 L’attivita’ magnetica del Sole ha un ciclo completo di soli 22 anni: ogni 11 anni il campo magnetico si rovescia in tutte le sue componenti: Macchie Solari, Tacoclina, Dipolo Nord-Sud Giallo e blu: le polarita’ opposte del campo magnetico L’effetto sulle Macchie Solari  Dinamo Solare: l’inversione del campo ogni 11 anni … ma restano inalterati nei due emisferi i segni di due quantita’: l’elicita’ cinetica (forza di Coriolis) la forza elettromagnetica di Lorentz: l’elicita’ di corrente (j z B z )

37 Emisfero nord: j z B z >0 Emisfero sud : j z B z <0 I tubi di flusso portano corrente lungo il campo magnetico B e ruotano al loro interno “Regola” emisferica j z B z Effetto emisferico Coriolis Cio’ che non si inverte: forza elettromagnetica e di Coriolis Restano inalterati i segni di due componenti che si compensano: la forza di Coriolis e l’allineamento delle correntii con il campo: j z B z L’Effetto Dinamo non puo’ aver preferenze di segno per la direzione delle correnti e dei relativi campi magnetici, se si rovesciano entrambi la forza esercitata sul fluido resta inalterata La competizione tra advezione e diffusione del campo magnetico e’ indifferente al segno

38 Ma oltre la pioggia e gli Uragani, sul Sole non mancano neppure i fulmini: una volta giunti nella Corona Solare i filamenti sono soggetti a riconnessioni magnetiche che prendono la forma di giganteschi fulmini (i "Brillamenti Solari, o Flares”) Dinamo Solare: i Brillamenti Solari (Flares)

39 Tuttavia in presenza di resistenza elettrica (effetto resistivo-Joule) (il plasma e’ un conduttore ottimo …ma non un superconduttore!): se linee di campo magnetico vicine formano strutture topologiche con punti ad “X”, le linee si possono spezzare e poi ricongiungere attraverso fenomeni di “Riconnessione Magnetica”, ed il plasma riesce a staccarsi dalle linee magnetiche Nella “Corona Solare” la pressione magnetica domina la pressione del plasma: si ha una advezione magnetica in cui il plasma segue il campo Flares e Riconnessione Magnetica all’ arrivo dei Filamenti nella Corona

40 Rapporto tra tempi (advezione magnetica/diffusione magnetica per effetto resistivo-Joule) (Re m ) =(numero di Reynolds magnetico) (Re m )≈10 12 nella Corona Solare Significa che la diffusione magnetica (piu’ debole di 1000 miliardi di volte) e’ trascurabile? Purtroppo NO, significa che la diffusione e’ dominante in zone sottilissime, con spessori piu’ piccoli di : ≈ un milione di volte la loro estensione lungo le linee di campo La Riconnessione: competizione tra Advezione e Diffusione magnetica Spessore Estensione lungo le linee di campo L’effetto locale della riconnessione cambia globalmente percorsi di correnti e linee di forza, nei calcoli numerici in 3D il numero di punti di calcolo tende a (Re m ) 3 =10 36 ! Nei codici numerici (punti <10 11 ) non c’e’ e forse mai ci sara’ la possibilita’ di riprodurre moti con numeri di Reynolds cosi’ elevati In realta’ le Riconnessioni sono 3D

41 Tacoclina B tor > 0, B tor < 0Contorni B merid T T T T T T N Tubi di campo e corrente formati sulla Tacoclina da Riconnessioni 3D ? Semiciclo di Dinamo Solare: ad ogni momento vi sono B tor > 0, B tor < 0 a cavallo delle Tacoclina S Ω Alla riconnessione 3D si associano torsioni che iniettano corrente netta nel filamento Rapporto tra (advezione magnetica/diffusione magnetica per effetto Joule) (Re m ) =(numero di Reynolds magnetico) (Re m )=10 10 sulla Tacoclina

42 I "Brillamenti Solari” dovuti alla Riconnessione magnetica trasformano l’energia magnetica immagazzinata nei tubi di flusso che congiungono ll’alto della Fotosfera al basso della Tacoclina e quindi vanno ad attingere all’immensa potenza nascosta nelle profondita’ solari a milioni di gradi º C… I "Brillamenti Solari” accelerano fino ad alte energie (1-10 MeV) numerosi malcapitati nuclei che si trovano in vicinanza del punto di riconnessione e li scagliano nello spazio interplanetario Dinamo Solare: l’accelerazione di particelle nei Flares

43 In certi casi possono dar adito alle cosiddette "Emissioni Coronali di Massa, CME" in cui immense nuvole magnetizzate di plasma coronale vengono aggiunte nello spazio interplanetario all'emissione continua del "Vento Solare" da parte del Sole Dinamo Solare: Emissioni Coronali di Massa (CME)

44 Il vento solare continuo con protoni di energia 1-10 keV prende la forma di una Spirale di Archimede rotante nello spazio interplanetario che si alza ed abbassa: “Gonna di Ballerina” (causa la doppia coda delle Comete) Investe con continuita’ la Terra ma viene schermato dal campo magnetico terrestre Vento emesso da strutture presenti sulla Cromosfera (che sta sopra la Fotosfera) e emesso ancor di piu’ dai cosiddetti “Buchi Coronali” Vento Solare Alfvén 1957 Parker 1958

45 Ben piu’ drammatica e’ l’emissione di protoni da MeV a nelle "Emissioni Coronali di Massa, CME" Se la loro traiettoria e’ allineata sul pianeta Terra le CME si schiantano sulla “Magnetosfera Terrestre” Emissioni Coronali di Massa (CME)

46 Il risultato collettivo dell’effetto α e’ la produzione di un campo magnetico lungo i meridiani Due processi sono comuni a tutte le dinamo stellari La rotazione differenziale (variabile sia radialmente che latitudinalmente) storce le linee del campo latitudinali (dipolari) in linee longitudinali (toroidali) e ne intensifica la forza – Effetto Omega “Ω”, localizzato sulla Tacoclina L’ulteriore ritorcimento di tali linee di forza da parte di moti non simmetrici assialmente (come Coriolis) che le fanno rigirare nel piano latitudinale (dipolare) – Effetto Alpha “α, localizzato sulla Tacoclina? – Effetto Alpha “α, localizzato sulla Tacoclina? – Effetto Alpha “α, localizzato in Superficie – Effetto Alpha “α, localizzato in Superficie Per giustificarla: la Dinamo a Trasporto di Flusso Dinamo Solare: l’inversione del campo ogni 11 anni

47 La “ Circolazione Meridionale ” puo’ dar conto dell’inversione del campo ogni 11 anni – Effetto “α” in Superficie: l’inclinazione tra – Effetto “α” in Superficie: l’inclinazione tra i 2 poli delle macchie lascia del campo residuo Il campo residuo emergente dalle macchie Il campo residuo emergente dalle macchie si diffonde in longitudine e latitudine sul Sole La Dinamo a Trasporto di Flusso

48 predice …sciagure? Predizione 2007 dell’attivita’ solare Verificata 2014 Il Ciclo 25 ( ) senza macchie solari? Durante il minimo di Maunder delle macchie solari la piccola era glaciale Il Tamigi ghiacciato durante la piccola era glaciale del minimo di Maunder ( )

49 …ma la Circolazione Globale nella Zona Convettiva resta da spiegare… la discrepanza tra un moto fluido a 2-D alla Proudman-Taylor e quello 3-D misurato sul Sole indica che probabilmente la dinamo e’ corresponsabile anche della Circolazione Globale! Rotazione di Proudman-Taylor Rotazione misurata Dinamo a Trasporto di Flusso risolve il problema? …No! In realta’ e’ solo in buon accordo con la Circolazione Globale della Zona Convettiva…

50 La dinamo e’ presente anche sulle altre stelle ma soprattutto su quelle massicce ha dettagli diversi Oh, Be A Fine Girl: Kiss Me! Sole La catalogazione delle Stelle in base a colore (e massa) Dinamo Stellari: le stelle sono tante milioni di milioni

51 Le CME (in gran parte composte di protoni ad alta energia) fortunatamente sono schermate dal campo magnetico terrestre e riempiono le "Fasce di Van Allen” in vicinanza della Terra Ma i loro effetti elettromagnetici hanno gia' causato estesi danni a reti elettriche sulla Terra e con ogni probabilita' arrivano anche ad influenzare la Meteorologia Terrestre alterando la ionizzazione della sottostante "Ionosfera Terrestre”, che poi influenza l’atmosfera sottostante Pericoli dalle Emissioni Coronali di Massa (CME)

52 Wiechert 1897 scopre la frontiera inferiore del Mantello Terrestre Lehman 1936 scopre la presenza del Nucleo Interno Interfaccia Nucleo Interno-Esterno 5500º C*, P=3.24 MBar (r ib ≈ 19% del raggio di superficie) Interfaccia Nucleo Esterno-Mantello 4000º C*, P=1.34 MBar (r cmb ≈ 55% del raggio di superficie) Struttura desunta dalla propagazione delle onde sismiche * a tali temperature non vi sono magneti permanenti (1000º max): nessuna spiegazione con “calamite” La struttura della Terra e la Geodinamo Oldham 1906 scopre il Nucleo Fluido

53 Polo Nord magnetico Polo Sud Magnetico Declinazione del campo rispetto al Nord geografico Poli Magnetici disallineati di circa 11º Cristoforo Colombo, fin dal primo viaggio nelle Americhe nota che la Declinazione del campo varia con il luogo Colombo oltre le Colonne d’Ercole Il campo medio in superficie e’ circa mezzo Gauss Deriva secolare verso Ovest della Declinazione ≈0.5º/anno

54 Intensita’ del campo radiale sulla superficie terrestre La struttura del campo magnetica sulla superficie terrestre e’ all’incirca dipolare (magnete a sbarra) ma sul Nucleo Esterno la configurazione e’ piu complessa Intensita’ del campo radiale desunta sul nucleo esterno (compaiono forti irregolarita’) Polo Nord Polo Sud Gauss 1836 Gauss introduce il corretto sviluppo in Multipoli Sferici* del campo della Terra: dato il mantello della Terra, elettricamente quasi isolante, si puo’ “vedere” di sotto! * Fino al Multipolo 14 sono campi della Geodinamo del Nucleo oltre il 14 sono le disomogeneita’ magnetiche nella Crosta * ma il campo toroidale non e’ osservabile dalla superficie Gauss…oltre la superficie terrestre

55 Differenze tra Dinamo Solare (Plasma compressibile) Geodinamo (Ferro fuso incompressibile) Radialmente: forti variazioni di pressione etc. variazioni contenute sulla densita’ <20% il rapporto (forza di Coriolis/forza inerziale) =(Ro -1 ) (Ro -1 ) =(1/Rossby number) (Ro -1 ) = per il Sole, 10 6 per la Terra La Terra e’ relativamente 1000 volte piu’ forte del Sole nell’incolonnare i suoi moti fluidi il rapporto (forza Coriolis/forze viscose) =(E -1 ) (E -1 )=(1/numero di Ekmann)(E -1 )=10 15 per il Sole, per la Terra Coriolis ovunque dominante sulle forze viscose…colonne sottili? il rapporto (diffusione magnetica/diffusione viscosa del flusso) =(P m -1 ) (P m -1 ) =(1/numero magnetico di Prandl )(P m -1 )= per il Sole, 10 5 per la Terra Diffusione magnetica dominante su diffusione viscosa …la Geodinamo ha larghe Colonne! il rapporto tra (advezione magnetica/diffusione magnetica per effetto Joule) =(Re m ) (Re m ) (numero di Reynolds magnetico) (Re m )= per il Sole, 1000 per la Terra 1000= anni (tempo diff. magnetica nucleo)/200 anni (tempo circolazione convettiva) E’ richiesta una velocita’ sufficiente affinche’ il campo non sia solo dissipato (Re m ) crit ≈40 Gli strati di corrente ≈1/30 ( r cmb -r ib ), poiche’ Bullard, Gellman 1954 …la via d’uscita magnetoidrodinamica dalle secche dei vari teoremi Anti-Dinamo La Magnetoidrodinamica, confronto tra Geodinamo e Dinamo Solare: Colonne al posto dei Filamenti

56 Campo magnetico parallelo all’asse terrestre desunto sul margine del nucleo terrestre La Terra e’ relativamente 1000 volte piu’ forte del Sole nell’incolonnare i suoi moti fluidi Proudman-Taylor 1917 Le Colonne di Taylor colonneciclonicheanticicloniche (direttamente visibile la struttura colonnare)

57 Parker 1955 Roberts 1972 Glatzmaier 1995 La Magnetoidrodinamica porta la Geodinamo oltre le Colonne di Taylor L’insorgere di campo magnetico consente al flusso di avvolgersi intorno alle colonne (qui mostrate le anticicloniche) Effetto α Effetto Ω (Ma il campo toroidale non e’ osservabile dalla superficie) (qui colonne non mostrate)

58 Differenze tra Dinamo Solare (plasma compressibile) Geodinamo (metalli fusi incompressibili) il rapporto tra (spinta di Archimede convettiva/forze viscose e di termoconduzione) =(Ra) (Ra) (Numero di Rayleigh)(Ra)= per il Sole, 5000 per la Terra (critico 1000) La spinta convettiva sulla Geodinamo e’ molto piu’ debole che su quella Solare Le Dinamo Planetarie si dividono in: Dinamo supercritiche (Ra)>(Ra) crit (Terra) Dinamo sottocritiche (Ra)<(Ra) crit (dopo l’innesco) il rapporto (forza magnetica di Lorentz/forza di Coriolis) = (Λ) (Λ)=numero di Elsasser (Λ)≥1 Tacoclina Solare, (Λ)≥1 Geodinamo il rapporto (diffusione per termoconduzione/diffusione viscosa del flusso) =(P r -1 ) (P r -1 ) =(1/numero di Prandl )(P r -1 )=10 7 per il Sole, 1-10 per la Terra Nella Terra la viscosita’ e’ forte quasi quanto la conduttiva’ termica Elsasser 1956 …la via d’uscita magnetoidrodinamica dalle secche dei vari teoremi Anti-Dinamo La Magnetoidrodinamica, confronto tra Geodinamo e Dinamo Solare: Archimede spinge meno e la viscosita’ lo intralcia!

59 Braginsky 1963 La spinta di Archimede dalla disomogeneita’ delle leghe del ferro La Cristallizzazione sul Nucleo Interno: una Transizione di Fase Numerose possibili sorgenti di energia per la Geodinamo: Spinta di Archimede per disomogeneita’ di composizione delle leghe del ferro Precessione terrestre (sulla Terra marginale) Calore interno che innesca turbolenze (sulla Terra di bassa efficienza) Spinta di Archimede composizionale dalla crescita del nucleo centrale (rilascio calore latente): Fe (e Ni) cristallizano all’interfaccia tra Nucleo Interno Solido e Nucleo Esterno Liquido Elementi piu’ leggeri (Si, S e O) rimangono disciolti nel Nucleo Esterno Liquido e Insieme al calore latente rilasciato innescano la convezione termica Accoppiamento magnetico tra Nucleo Interno-Esterno Il fluido dei pennacchi si avvolge ruotando intorno alle colonne di Proudman-Taylor La rotazione avvolge le linee magnetiche e produce perturbazioni di corrente elettrica E’ la Forza di Lorentz delle correnti che spezza il vincolo delle colonne di Proudman-Taylor Vista Polare (colonne P-T non mostrate) Vista Equatoriale Scambio di calore e impulso meccanico con il Mantello

60 La spinta di Archimede compositionale e’ coerente con l’assenza di dinamo su Venere (gemello della Terra*, ma senza Tettonica a Zolle), su cui non si sarebbe ancora formato un Nucleo Interno Solido poiche’ il flusso di calore dal Nucleo interamente Liquido e’ tappato dal Mantello non convettivo e ridotto ad un punto tale da non poter innescare turbolenze Due scenari nel remoto passato della Terra: Dinamo turbolenta per via del Mantello convettivo della Terra nessuna Dinamo (come Venere) Il roventi trascorsi della Dea dell’ Amore tenuti a sobbollire sotto coperchio dal Mantello? Presunta storia del Nucleo Interno della Terra (formatosi 2.5 Miliardi anni fa?) Nuclei al 55% del raggio come la Terra * La bassa velocita’ di rotazione di Venere consentirebbe comunque la Dinamo

61 Uragani da disomogeneita’ delle leghe del Ferro abradono il Mantello Il filmato mostra solo la zona tra i due Nuclei, tratteggia in colori le componenti + e – dei campi magnetici sul Nucleo Centrale (sfera (Aubert)interna verde) e sul margine del Mantello (sfera esterna ‘trasparente’) Un ingrediente essenziale delle simulazioni della Geodinamo sono le condizioni di scambio di calore ed impulso meccanico con il Mantello Terrestre

62 Gli Uragani delle leghe del Ferro visti piu’ da vicino (un videogioco?) Dove sono le riconnessioni magnetiche nella Geodinamo? Probabilmente, esattamente come nella Dinamo Solare, in arrivo e in partenza: alla partenza degli Uragani di leghe di Ferro (interfaccia tra i due Nuclei) all’ arrivo degli Uragani (quando si schiantano sul Mantello Terrestre)

63 Le inversioni della polarita’ del magnetismo terrestre e la datazione dei fondali …ma presente da 2.5 Miliardi di anni? L’Effetto Dinamo non ha preferenze di segno per la direzione delle correnti che fluiscono e dei relativi campi magnetici: se si rovesciano la forza esercitata sul fluido resta inalterata La non preferenza di segno del Geomagnetismo ne indica le origini magnetoidrodinamiche Le inversioni di polarita’ magnetica della Geodinamo

64 Per l’inversione del Dipolo non c’e’ fretta: dai calcoli dura 2000* anni …e comunque il Quadrupolo di Gauss difendera’ la Terra! (il dipolo della Geodinamo non si e’ piu’ rovesciato da ben 800mila anni) *2000 anni ≈tempo di rovesciamento del dipolo nel Nucleo Interno, che quindi stabilizza la polarita’ in quanto molto piu’ lungo del tempo ≈200 anni di circolazione dei pennacchi convettivi nel Nucleo Esterno. Puo’ rovesciare il dipolo una casuale ripetizione prolungata di pennacchi per 2000 anni, tale che la corrente dipolare nel Nucleo Interno possa decadere. Catastrofi al rovesciamento? La Terra esposta ai protoni da 100 MeV delle Coronal Mass Ejections del Sole?

65 Quasi tutti i Pianeti hanno magnetizzazione, non tutti una Dinamo! No Dinamo! Dinamo Dipolare (come la Terra)Dinamo Dipolare (di massima simmetria) Dinamo Quadrupolare e storta (come la Terra all’inversione*?) * No perche’ anche Urano ha lo stesso campo, i due Giganti d’acqua del Sistema Solare sono proprio cosi’ per Natura *

66 Condizioni per la Dinamo Planetaria: Possibilita’ di Convezione (materiale conduttore) Dimensioni sufficientemente grandi del Nucleo* Conduttivita’ elettrica intermedia Sembra paradossale, ma un’eccessiva conduttivita’ elettrica preclude la Dinamo, infatti si associa con un’ eccessiva conduttivita’ termica (e questa pero’ preclude la Convezione, il calore se ne va comunque) Condizioni per le Dinamo Planetarie Locazione della Dinamo: Terrestri: Nucleo di Ferro Liquido Giganti d’Acqua: Ghiacci Conduttori(!) Giganti Gassosi: Idrogeno Metallico * Sui Terrestri il flusso di calore e’ condizionato dal Mantello che puo’ essere diverso da caso a caso

67 Mercurio: poco piu’ grande della Luna, ha un campo magnetico simile a quello della Terra, ma … … l’intensita’ del campo e’ solo l’1% della Terra: spiegata con la Dinamo di uno strato sottile intorno al Nucleo Interno Solido schermato da uno strato liquido non convettivo sotto il Mantello …riscaldamento dovuto alle Maree causate dal Sole? (Mercurio ruota 3 volte su se’ stesso per ogni 2 orbite) Sorprese da Mercurio: ghiaccio fangoso ai Poli …Effetto Dinamo inatteso Intensita’ del campo Mercurio ha in proporzione nel Sistema Solare il piu’ grande Nucleo: 75% del raggio di superficie

68 Le disgrazie di Marte: Effetto Dinamo e atmosfera uccisi nella culla? Nessun Effetto Dinamo attualmente magnetizzazione residua soltanto nell’Emisfero Sud, quello Nord amagnetico Prima disgrazia: Urto catastrofico 4 Miliardi di anni or sono e/oppure Enorme Pennacchio nel Mantello Tharsis Regio Seconda disgrazia: Tali eventi catastrofici avrebbero trasformato la Dinamo in Emisferica e sottocritica poi spentasi Ultima disgrazia: il ridottissimo campo magnetico nell’Emisfero Nord avrebbe consentito al Vento Solare di spazzar via l’atmosfera di Marte!

69 Giove Saturno Nuclei di ghiacci e rocce? L’Idrogeno metallizza (effetto quantistico) e’ conduttore (1/10 di Fe Terra ) ma non solidifica No superficie solida (nucleo centrale?): gas e liquidi in convezione La rotazione e’ definita dal campo magnetico! Composti > 90% di H & He La Dinamo dei Giganti Gassosi Due campi dipolari ragionevolmente allineati in asse

70 Bande di velocita’ zonale equatore super-rotante rispetto alla rotazione del campo magnetico (Coriolis vince su Archimede) (Taylor-Proudman) La dinamo e’ legata alla circolazione atmosferica (H ed He + O C N S in tracce): Venti Zonali (paralleli all’Equatore) con molte bande di segno alterno Una meteorologia idrodinamica di venti zonali in superficie che si trasforma con un graduale aumento della conduttivita’ elettrica (permanendo la convezione) in una meteorologia magnetoidrodinamica a livello dell’idrogeno metallico (Dinamo) La duplice Meteorologia dei Giganti Gassosi

71 Nell’idrogeno metallico conduttore il campo magnetico non puo’ avvolgersi indefinitamente, nei Giganti Gassosi la potenza meccanica richiesta diverrebbe esorbitante* e la dissipazione Joule supererebbe alla grande l’energia che viene dal Sole quindi oltre una certa profondita’ non ci possono piu’ essere bande di velocita’ bensi’ corotazione di campo e materia (come sotto la Tacoclina Solare), anzi da quel raggio in giu’ tutto il pianeta deve ruotare rigidamente agganciato al campo magnetico La duplice rotazione dei Giganti Gassosi genera una Tacoclina? Questo modello prevede un campo fortemente radiale nello strato in cui si passa dalle bande di velocita’ alla corotazione rigida con forte predominanza sulle due “calotte polari” Dipolo allineatoDipolo inclinato * In realta’ tutti i Giganti (Urano fa eccezione) emettono piu’ radiazione (fattori 2-3) di quanto ricevano dal Sole: le spiegazioni sono intensa dissipazione elettrica (effetto Joule) nella Dinamo continuazione della contrazione gravitazionale (pioggia He sui Gassosi)

72 Il dipolo e’ cosi’ perfetto che per valutare la rotazione di Saturno si usa la rotazione dell’Esagono del Polo Nord, sincrono con le emissioni radio dal Pianeta L’Elio a 2 Mbar e 6000 K e’ un liquido metallico che cade a gocce attraverso l’Idrogeno ancora molecolare, ma che si sta metallizzando Una beffa ai teoremi anti-Dinamo? No, e’ He liquido che piove* sopra l’H metallico della zona Dinamo, ne rende la parte alta non convettiva e consente ai venti zonali di penetrarla, facendone una gabbia di Faraday con correnti zonali che filtrano tutte le componenti del campo magnetico diverse dal dipolo simmetrico * Per via delle pressioni piu’ elevate lo strato di pioggia di He su Giove e’ ben piu’ sottile e di conseguenza l’effetto gabbia di Faraday su Giove ben meno efficace Saturno: un Dipolo simmetrizzato dalla pioggia di Elio

73 La Dinamo dei Giganti d’ Acqua Due campi ≈ Quadrupolari ma abbastanza irregolari (componente Dipolo decentrata) Per il resto H 2 O, NH 3 e CH 4 fluidi/ghiacciati No superficie solida (nucleo centrale?): gas e liquidi in convezione, Acqua Ionica-Superionica conduttrice a 1 Mbar (1/100 di Fe Terra ) e >2000 K La rotazione e’ definita dal campo magnetico! Composti > 10% di H & He non legati Nuclei di rocce? Urano Nettuno

74 Equatore sotto-rotante e poli sopra-rotanti rispetto alla rotazione del campo magnetico (Archimede vince su Coriolis) (Taylor-Proudman) La dinamo e’ legata alla circolazione atmosferica (H ed He + CH 4 ) Venti Zonali (paralleli all’Equatore) con poche bande di segno alterno La duplice Meteorologia dei Giganti d’Acqua Una meteorologia idrodinamica di venti zonali in superficie che si trasforma con un graduale aumento della conduttivita’ elettrica (permanendo la convezione) in una meteorologia magnetoidrodinamica (Dinamo) a livello dell’Acqua Superionica Nettuno

75 Acqua dorata e conduttrice per la Dinamo dei Giganti d’Acqua Venti zonali di NettunoCampi magnetici di Nettuno Il sistema di venti zonali piu’ semplice nei Giganti d’Acqua rispetto ai Giganti gassosi e’ associato al campo magnetico piu’ complesso Struttura dell’acqua nelle condizioni di temperatura>2000K e pressione>1 MBar di Urano e Nettuno In luce visibile di colore giallo-oro Acqua IonicaAcqua Superionica in due diverse fasi

76 E' interessante notare che a partire dalla semplice necessita' che il Sole ha di smaltire energia tramite moti convettivi, la materia anche in uno dei suoi stati piu' semplici qual'e' il plasma di una Stella (che manca delle possibilita' di reagire chimicamente e di effettuare transizioni di fase, cosi' come di solito intese) abbia la capacita' di autorganizzarsi in strutture estremamente complesse di tipo meteorologico ed assolvere lo stesso compito che i fluidi dotati di chimica e capaci di transizioni di fase svolgono tra atmosfere ed oceani dei pianeti, … come l'acqua sulla Terra ed il metano su Titano Anche i Pianeti per i loro moti convettivi interni si organizzano con cio’ di cui dispongono (i Terrestri con il Ferro liquido, i Giganti Gassosi con l’Idrogeno Metallico, i Giganti d’Acqua con l’Acqua Ionica e Super-ionica) L’Effetto Dinamo e’ uno degli esempi piu’ chiari che mostra come la materia in qualunque condizione sia capace di produrre strutture ordinate e coerenti che ricordano gli esempi ben piu’ strabilianti che abbiamo sotto gli occhi sulla Terra …le strutture viventi! CONCLUSIONE: Ma restano degli Arcani … →

77 Gillet Nature 2010 Ogni (6 anni – 1 giorno) Perigeo e Nodi della Luna si riallineano 6 Anni-1 giorno e’ il periodo della coppia torcente che la Luna esercita sulla Terra! Geodinamo e coppia torcente della Luna Ogni 6 anni la lunghezza del giorno e’ modulata Ogni 6 anni nel Nucleo della Terra onde torsionali

78 Abreu A&A 2012 La coppia torcente dei Pianeti modulal’intensita’ della Dinamo Solare La coppia torcente dei Pianeti modula l’intensita’ della Dinamo Solare Piccole Ere Glaciali


Scaricare ppt "Franco Alladio Associazione Euratom-ENEA sulla Fusione, Frascati Liceo Touschek, Grottaferrata 20 Novembre 2014 La Dinamo Solare, la Geodinamo e le Dinamo."

Presentazioni simili


Annunci Google