// Stylesheet

Il plasma e una fortunata coincidenza

abstract

Che il Sole sia così benevole è tutto da dimostrare. La realtà è che le condizioni per essere qui sono ristrettissime e una delle cose ce ce lo permette è ciò che succede a 60 chilometri dalle nostre teste.

Non tutto ciò che viene dal Sole riesce a passare: ciò che serve ci raggiunge, tutto il resto mette in moto una danza di elettroni che funziona come una vera e propria crema solare.

Il plasma è lo scudo della vita

Andiamo lassù. E per lassù intendo almeno a 60 chilometri di altezza dalla superficie terrestre. Si vedrà un panorama fantastisco, ma non è che sia un posto particolarmente ospitale. Di giorno si può anche arrivare a toccare anche i 1200 gradi.

NASA image

Non potrebbe essere altrimenti del resto, perché questa è la “crema solare” della Terra. Qui di cose strane ne succedono parecchie. E per fortuna! E’ l’unico modo per farci vivere una vita relativamente tranquilla. Avete presente quando vi dicono che il Sole è fonte di vita, che tutti gli esseri dipendono dalla luce e così via? Non è mica così vero…

Andate su qualsiasi altro pianeta del sistema solare e vedete come se la passano da quelle parti. Per quanto ne sappiamo, mica tanto bene. Siamo stati attenti a guardarci intorno, ma qui non c’è proprio nessuno. La verità è che se la vita esiste grazie al Sole, questo è vero solo per particolarissime condizioni. Quell’enorme palla di fuoco di energia ne ha da vendere, se siamo ancora qui è solo perché siamo enormemente fortunati. Tanto, troppo per qualcuno, ma questa è un’altra storia.

Una delle fortunatissime coincidenze sta proprio a 60 chilometri di quota. Qui arrivano tutti i raggi solari che finalmente possono sbattere contro qualcosa dopo un interminabile viaggio tra il Sole e noi. Ci sono tutti i tipi di fotoni, quelli della luce visibile ma soprattutto i raggi X e gli UV lontani. Per non dimenticare i raggi gamma. I primi passano, ma tutti gli altri bisogna fermarli: sono così potenti che letteralmente spaccano tutto ciò che incontrano.

Questo è il motivo per cui ci ha detto bene. La differenza tra noi e Marte è proprio quello che c’è a 60 chilometri di altezza. Tutto ciò che c’è qui si immola per noi: l’energia viene assorbita e usata per creare niente di meno che il quarto stato della materia, il plasma.

Ogni elettrone di default ha intenzione di rimanere attaccato al suo nucleo. Abbiamo già visto che la situazione così è abbastanza confortevole e non ci sono molte le ragioni per spostarsi. A meno che non gliene si dia una. Un conduttore è un esempio dove gli elettroni sono liberi di muoversi in un mare di simili: è come se quella zona di comfort si allargasse a tutto il solido, in un’enorme compartecipazione.

Però può anche succedere altro, come qualche evento abbastanza violento da scacciare gli elettroni dai propri atomi di appartenenza. Se questo temporale durasse un attimo, dopo un po’ di confusione tutto tornerebbe allo stato di partenza. Ciascuno si riprenderebbe i propri elettroni e l’equilibrio si ristabilirebbe. Se questo evento durasse un attimo.

Ma uno di questi viene dal Sole e lui in pausa non ci va mai. Ci spara addosso un’energia pazzesca 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Ce n’è abbastanza per rendere l’equilibrio solo un lontano ricordo. Gli elettroni ne sono letteralmente inondati e i loro atomi non bastano più; devono uscire, essere liberi e sfogare tutta questa energia. E’ così che si crea il plasma, uno stato dove gli elettroni sono liberi all’interno di una stranissima miscela.

Cariche positive e negative sono separate e ora si sentono le une con le altre. Non possono tornare insieme a causa di tutta questa energia, ma neanche allontanarsi per la fortissima attrazione reciproca. E’ un equilibrio instabile così curioso da non sembrare neanche pensabile. C’è molto a che spartire con un materiale conduttore.

La frequenza di plasma

E’ uno scenario a quattro attori, un doppio duello diviso per ordine d’importanza. La prima battaglia l’abbiamo già vista, il Sole separa ciò che l’attrazione elettrica vorrebbe riunire, ma c’è anche un altro aspetto da considerare.

Se guardiamo un atomo comune lo vediamo neutro, tante cariche positive per quante negative. Il disturbo all’esterno è minimo. Ora però le cose sono ben diverse, la neutralità elettrica ce la siamo giocata e non possiamo dimenticarci della repulsione. Gli ioni positivi tenderanno a respingersi e la stessa cosa faranno gli elettroni. Qualsiasi cosa stia succedendo, deve essere qualcosa di estremamente complicato.

E lo è ancora di più se cominciamo a guardare le dimensioni relative. Ognuno porta la stessa carica, positiva o negativa che sia, e non possiamo dimenticarci del fatto che gli ioni sono dei giganti rispetto ai piccolissimi elettroni. Quanto tempo ci vuole a spostare una persona? E quanto un intero paese? La realtà è una concatenazione caotica di cause, i cui effetti appaiono con un certo ritardo.

Eppure gli atomi hanno a che fare con queste situazioni quotidianamente, alla lunga qualche equilibrio riescono sempre a trovarlo. Vi ricordate con i materiali conduttori dove l’obiettivo era raggiungere l’uniformità? Qui è la stessa cosa, tutto si muove ma lo fa in maniera che si evitino ammassi. Appena c’è uno squilibrio tutti si risistemeranno per eliminarlo.

Consideriamo che gli elettroni si siano sistemati dappertutto con un certa densità uniforme. La struttura è in quiete nonostante le cose viste dagli occhi di una singola carica siano ben diverse. Che divertimento ci sarebbe a lasciare tutto così? Portiamo un po’ di scompiglio per vedere che succede. Infiliamo la nostra mano in questo mare di elettroni e diamo solo una piccola scossetta in avanti.

Dal nostro palmo in poi, alcune cariche saranno allontanate dalla posizione che compete loro. Ci sarà un piccolo squilibrio rispetto alla distribuzione da qualsiasi altra parte. Se il numero di elettroni che sta da qui a lì è ovunque $n$, con la nostra spinta c’è una piccola regione dove i numeri cambiano. C’è un piccolissimo $\nabla n$…vi ricordate il gradiente? A questo punto il sistema è pronto per annullare la nostra perturbazione. Parliamoci chiaro, aveva faticato così tanto per trovare una situazione stabile, perché ora dovrebbe uccidersi alla ricerca di una nuova? Molto meglio riassorbire il cambiamento.

E possiamo anche immaginarci come fa.

Uno spostamento di cariche ci restituisce un campo elettrico che non è più omogeneo. Abbiamo un flusso non nullo che deve essere annullato. Tanto più le cariche saranno spostate dalla posizione di competenza, tanto più subiranno un richiamo intenso. E’ come se attaccassimo loro delle molle: la forza di richiamo dipende solo da quanto noi le stiamo stirando.

E quest’analogia è perfettamente calzante, perché gli elettroni saranno spinti a tornare indietro. Tutta l’energia cinetica che acquisteranno nel movimento li farà andare oltre l’obiettivo, si deve tornare indietro per l’equilibrio. Serve una nuova forza di richiamo che li spingerà in direzione opposta. Avete presente l’altalena che vorrebbe fermarsi al centro ma prima di farlo continua ad oscillarci intorno, avanti e indietro? Spero che gli elettroni non preferiscano lo scivolo, perché su quest’altalena possono rimanerci ancora per un bel po’.

Possiamo anche metterci a contare quanti cicli fanno in un dato tempo. La chiamano frequenza di plasma ed è un valore che nella tecnologia piace tantissimo. Figuratevi se non trovavamo il modo per usarla a nostro vantaggio. Se volete saperlo, siamo bravissimi a calcolare il suo quadrato, basta sapere quanto vale la massa e la carica degli elettroni ($m_e$ e $q_e$). $$\omega_{p}^2=\frac{nq_e^2}{\epsilon_0m_e}$$

Un esempio su come usare queste cose? Vi siete mai chiesti come riusciamo a captare le onde radio? Diciamo che voi vogliate ascoltare una stazione australiana, questa emetterà il suo segnale da tutte le parti, ma com’è possibile che ci raggiunga anche a noi che siamo dall’altra parte del globo? Tra noi e loro c’è solo un pianeta a impedirlo. L’unica è sparare verso l’alto, ma in quale direzione? Verso lo spazio c’è il rischio che il segnale si disperda…a meno che…a meno che non mettiamo uno specchio riflettente!

Se in Australia propagano un segnale radio, succedono cose abbastanza interessanti. Raggiunta la ionosfera, gli elettroni non lo lasciano uscire ma lo sfruttano per cominciare il gioco dell’altalena. Questo loro danzare si protrarrà finché hanno l’energia per farlo e lo comunicheranno a tutti i circostanti. Altri elettroni danzeranno e la risposta sarà quasi uno a uno con la potenza del segnale inviato. L’aria sottostante si accorgerà di questo squilibrio di elettricità e risponderà a sua volta. Una catena di eventi porterà a un risultato assolutamente incredibile: il segnale verrà ricreato perfettamente, e da 60 chilometri di altezza punterà esattamente alla nostra piccola antenna, dall’altra parte del globo.

Plasma