Nella sinfonia del sistema solare, il campo magnetico terrestre risuona con ritmo

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Ott 212019
 

Tratto dal link origine : https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/in-solar-system-s-symphony-earth-s-magnetic-field-drops-the-beat
(Tradotto con Google, traduzione rivisitata.)

Lo spazio non è silenzioso. In effetti, suona un’intera orchestra di strumenti che riempie il nostro ambiente vicino alla Terra di suoni inquietanti. Gli scienziati sanno da tempo sui fenomeni spaziali che coinvolgono le onde elettromagnetiche che viaggiano intorno alla Terra che risuonano come strumenti a corda o come strumenti a fiato. Ora, una nuova ricerca pubblicata su Nature Communications ha aggiunto un elemento percussivo all’ensemble cosmico: un tamburo gigante, attivato da getti di plasma che colpiscono il confine della bolla magnetica protettiva che circonda il nostro pianeta.

Questa bolla magnetica, nota come magnetosfera, è racchiusa in una regione di confine nota come magnetopausa, la nostra prima barriera alle particelle ad alta energia provenienti dal Sole. Alla magnetopausa, la maggior parte delle particelle solari viene deviata intorno alla Terra, ma in determinate condizioni alcune si intrufolano. Comprendere la meccanica della magnetopausa è la chiave per aiutare a proteggere i nostri satelliti, telecomunicazioni e astronauti dalle radiazioni potenzialmente dannose che queste particelle portano. 

La missione THEMIS della NASA dimostra una teoria di 45 anni secondo cui il confine esterno del campo magnetico terrestre vibra come un tamburo.Riconoscimenti: video per gentile concessione di Martin Archer, Queen Mary University di Londra. Guarda il video in formato più lungo sulla pagina YouTube del Dr. Archer

Usando i dati della cronologia degli eventi della NASA e le interazioni macroscale durante le Substorms, o THEMIS, la missione, gli scienziati hanno scoperto che quando la magnetopausa è colpita da un getto di plasma proveniente dal sole, vibra come un tamburo, con onde che echeggiano avanti e indietro la sua superficie, proprio come fanno sopra la pelle di un tamburo. La nuova scoperta arriva diversi decenni dopo che tale comportamento fu teorizzato per la prima volta.

“Data la mancanza di prove durante i 45 anni da quando sono stati proposti, ci sono state speculazioni sul fatto che queste vibrazioni simili a quelle di un tamburo potrebbero non verificarsi affatto”, ha affermato Martin Archer, fisico spaziale della Queen Mary University di Londra e autore principale della nuova ricerca. “Ora vediamo che le onde sulla superficie della magnetopausa si riflettono tra due punti vicino ai poli magnetici – agendo in modo molto simile a un tamburo”.

All’interno della magnetosfera, gli scienziati ascoltano da tempo suoni spaziali creati da varie onde elettromagnetiche. Questa vera orchestra di onde può essere ascoltata come suono se elaborata correttamente e mostrano persino comportamenti simili a determinati strumenti musicali. Le cosiddette onde magnetosoniche pulsano attraverso il plasma nello stesso modo in cui il suono rimbalza attraverso gli strumenti a fiato. Un altro tipo di onda, nota come onda Alfvén, risuona lungo le linee del campo magnetico, proprio come le corde vibranti degli strumenti a corda. Mentre entrambi questi tipi di onde possono viaggiare ovunque nello spazio, le onde appena scoperte sono un tipo di onde superficiali – onde che richiedono una sorta di confine/percorso su cui viaggiare.

In questo caso la magnetopausa ha funzionato come confine. Quando un getto di plasma – (la bacchetta) – colpisce la magnetopausa, le onde superficiali formano uno schema di onde stazionarie – dove le estremità sembrano ferme mentre altri punti vibrano avanti e indietro – proprio come sulla pelle di un tamburo. I punti fissi nell’onda, che sono il bordo o il bordo del tamburo, sono vicini ai poli magnetici della Terra; le onde vibrano in mezzo alla superficie della magnetopausa. Mentre l’onda stessa rimane in superficie, le vibrazioni alla fine scendono nella magnetosfera e innescano altri tipi di onde.

“Le onde probabilmente penetrano lontano nella magnetosfera interna causando onde a bassissima frequenza, che influenzano cose come le fasce di radiazione, l’aurora e persino la ionosfera”, ha detto Archer.

I segnali registrati dalle sonde THEMIS sono convertiti in suono udibile. Riconoscimenti: video per gentile concessione di Martin Archer, Queen Mary University di LondraGuarda il video sulla pagina YouTube del Dr. Archer

Il nuovo studio ha utilizzato i dati della missione THEMIS , che inizialmente utilizzava cinque sonde identiche per determinare quale processo fisico nello spazio vicino alla Terra avvii le aurore.

“Gli autori fanno un grande uso delle osservazioni sin dai primi tempi della missione in cui i veicoli spaziali si susseguivano lungo la loro orbita reciproca come perle su una corda”, ha affermato David Sibeck, scienziato del progetto THEMIS presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. “In questo caso fortunato, i veicoli spaziali THEMIS erano nel posto giusto per vedere la “bacchetta” ed ascoltare la percussione del tamburo”.

illustrazione dello spazio vicino alla Terra con le regioni delle onde del plasma rappresentate

Diversi tipi di onde al plasma innescate da vari meccanismi, occupano diverse regioni dello spazio attorno alla Terra.Crediti: Goddard Space Flight Center della NASA / Mary Pat Hrybyk-Keith

Gli scienziati hanno in programma di esaminare i dati archiviati di THEMIS per altri di questi eventi sulla Terra e determinare quanto spesso la magnetopausa possa esplodere come un tamburo. Questa ricerca può anche aiutare a fornire spunti su come cercare questo fenomeno su altri pianeti con magnetosfere, come Giove e Saturno, e quale effetto possono avere in quei sistemi.

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Immagine banner:  Illustrazione di un impatto con un getto di plasma (giallo) che genera onde stazionarie al confine (blu) dello scudo magnetico terrestre (verde). Credito: E. Masongsong / UCLA, M. Archer / QMUL, H. Hietala / UTU


Di Mara Johnson-Groh
Goddard Space Flight Center della NASA, Greenbelt, Md.Ultimo aggiornamento: 21 febbraio 2019
Redattore: Rob Garner

Tratto dal link origine : https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/in-solar-system-s-symphony-earth-s-magnetic-field-drops-the-beat
(Tradotto con Google, traduzione rivisitata.)

Il Magnetismo può controllare il calore, ed il suono

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Feb 242016
 

Tratto dal link origine : http://www.akosol.it/akosol-blog/i-magneti-possono-controllare-il-calore-ed-il-suono-un-esperimento-rivela-nuove-proprieta-misteriose-delle-onde-sonore

Original link : https://www.sciencedaily.com/releases/2015/05/150528153621.htm

I ricercatori hanno scoperto come controllare il calore con un campo magnetico. Lo studio è il primo a dimostrare che i fononi acustici – le particelle elementari che trasmettono sia il calore e il suono – hanno proprietà magnetiche.
Nell’edizione del 23 marzo della rivista Nature Materials, alcuni ricercatori descrivono come un campo magnetico, delle dimensioni simili a quello generato da una risonanza magnetica medica, ha ridotto la quantità di calore che fluisce attraverso un semiconduttore del 12 per cento. Lo studio è il primo a dimostrare che i fononi acustici – le particelle elementari che trasmettono sia il calore e il suono – hanno proprietà magnetiche.

“Questo aggiunge una nuova dimensione alla nostra comprensione delle onde acustiche,”, ha detto Joseph Heremans, Ohio Eminent Scholar in Nanotecnologia e professore di ingegneria meccanica presso la Ohio State. “Abbiamo dimostrato che possiamo dirigere il calore magneticamente. Con un campo magnetico sufficientemente forte, dovremmo essere in grado di guidare anche le onde sonore.”

“Ci si potrebbe sorprendere nell’apprendere che il calore ed il suono interagiscono, ed ancor più che possono essere entrambi controllati da magneti”, dichiara Heremans. “Ma si tratta di due diverse espressioni della medesima forma di energia, parlandone da un punto di vista inerente la meccanica quantistica. Quindi, qualsiasi forza che controlla l’uno dovrebbe controllare anche l’altro. Essenzialmente, il calore è prodotto dalla vibrazione degli atomi, e si diffonde attraverso i materiali dalle vibrazioni. Ed all’aumentare della temperatura del materiale aumenta la velocità alla quale gli atomi vibrano”.

“Anche il suono è prodotto dalla vibrazione degli atomi”, ha continuato. “Ed è attraverso le vibrazioni che ti parlo, perché le mie corde vocali comprimono l’aria e creano vibrazioni che viaggiano fino alle tue orecchie, che le traducono in suono.”

Il nome “Fononi” suona un po ‘come “Fotoni”. Ecco perché i ricercatori li considerano cugini: I fotoni sono particelle di luce, ed i fononi sono particelle di calore e di suono. Mentre i ricercatori hanno studiato i fotoni intensamente per un centinaio di anni – da quando Einstein scoprì l’effetto fotoelettrico – i fononi non hanno ricevuto la stessa attenzione, e quindi non si sa molto su di loro al di là delle loro proprietà relative al calore ed al suono.

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Questo studio dimostra che i fononi hanno anche proprietà magnetiche. “Crediamo che queste proprietà generali siano presenti in qualsiasi solido”, ha detto Hyungyu Jin, ricercatore post dottorato della Ohio State e principale autore dello studio.

L’implicazione: in materiali come vetro, pietra, plastica – materiali che non sono convenzionalmente magnetici – il calore può essere controllato magneticamente, se si dispone di un magnete abbastanza potente. L’effetto sarebbe passato inosservato nei metalli, che trasmettono così tanto calore mediante gli elettroni che il calore trasportato dal fononi è trascurabile in confronto.

Non ci saranno applicazioni pratiche di questa scoperta in tempi brevi: magneti da 7 Tesla come quelli utilizzati nello corso dello studio non esistono al di fuori degli ospedali e dei laboratori, ed i semiconduttori sottoposti alla sperimentazione sono stati refrigerati a – 450 gradi Fahrenheit (- 268 gradi Celsius) – quindi a temperature molto vicine allo zero assoluto – per far sì che gli atomi del materiale esaminato rallentino al punto di permettere di vedere i movimenti dei fononi. “È per questo che l’esperimento è stato così difficile”, ha detto Jin, “poiché rilevare una misura termica ad una temperatura così bassa è difficile. Per farlo abbiamo utilizzato un attrezzo semiconduttore indio antimonide a forma di diapason sbilenco, con un braccio largo 4 mm e l’altro 1 mm., ed abbiamo innestato i riscaldatori alla base dei bracci”.

Link video : https://www.youtube.com/watch?v=hS5Imnlsz8o

“L’idea ha funzionato grazie ad una stranezza nel comportamento dei semiconduttori a basse temperature. Normalmente, la capacità di un materiale di trasferire calore dipenderebbe esclusivamente dal tipo di atomi di cui è fatto. Ma a bassissime temperature, come quelle utilizzati in questo esperimento, un altro fattore entra in gioco: la dimensione del campione utilizzato. In queste condizioni, un oggetto di maggiori dimensioni trasferisce il calore più velocemente di un oggetto, uguale per forma ma di dimensioni minori, fatto dello stesso materiale. Ciò significa che il braccio più grande del diapason potrebbe trasferire più calore rispetto al braccio minore.”

Il movimento dei fononi acustici all'interno di un semiconduttore di indio-antimonide in un campo magnetico (di 7 Tesla). I loro risultati mostrano che fononi momenti magnetici di ampiezza-dipendente sono indotte sugli atomi, che cambiano il modo in cui vibrano e il calore trasportato.

Il movimento dei fononi acustici all’interno di un semiconduttore di indio-antimonide in un campo magnetico (di 7 Tesla). I loro risultati mostrano che fononi momenti magnetici di ampiezza-dipendente sono indotte sugli atomi, che cambiano il modo in cui vibrano e il calore trasportato.

Heremans ne ha spiegato le ragioni:

“Immaginate che il diapason sia una pista, e che i fononi che vi scorrono a partire dalla base siano corridori in pista. I corridori che prendono il lato stretto della forcella hanno a malapena spazio sufficiente per passare tutti insieme, e continuano a sbattere contro le pareti della pista, che li rallenta. I corridori che prendono la carreggiata più larga possono correre più velocemente, perché hanno un sacco di spazio a disposizione. Dopo un tempo tutti avranno percorso l’intero tragitto attraverso il materiale, ma la domanda è a quali differenti velocità. Più collisioni avranno sperimentato nella loro corsa, più saranno andati lenti.”

Nell’esperimento, Jin ha misurato la variazione di temperatura nei due rami del diapason sottraendone uno dall’altro, sia prima che dopo aver applicato un campo magnetico Tesla 7. In assenza del campo magnetico, il braccio più grande del diapason ha trasferito più calore rispetto al braccio minore, così come si aspettavano i ricercatori. Ma in presenza del campo magnetico, il flusso di calore nel braccio grande ha rallentato del 12 per cento. Cosa è cambiato? Heremans ha detto che il campo magnetico ha sincronizzato la vibrazione dei fononi, facendo sì che urtassero l’uno nell’altro e quindi rallentassero, e tale effetto è stato identificato e quantificato mediante simulazioni al computer eseguite da Nikolas Antolin, Oscar Restrepo e Wolfgang Windl, tutti collaboratori del Dipartimento di Stato di Scienza dei Materiali e Ingegneria dell’Ohio.

Nel braccio più grande, la maggiore libertà di movimento ha lavorato contro i fononi, che in virtù di questa hanno sperimentato più collisioni. Un maggior numero di fononi stati stati dirottati, e sono stati di meno – il 12 per cento in meno – quelli passati indenni attraverso il materiale. I fononi hanno quindi reagito al campo magnetico, dimostrando che le particelle sono evidentemente sensibili al magnetismo. Il prossimo passo sarà quello di stabilire se è possibile deviare lateralmente le onde sonore mediante appositi campi magnetici.

Tratto dal link origine : http://www.akosol.it/akosol-blog/i-magneti-possono-controllare-il-calore-ed-il-suono-un-esperimento-rivela-nuove-proprieta-misteriose-delle-onde-sonore

Original link : https://www.sciencedaily.com/releases/2015/05/150528153621.htm