STEVE e altre varietà di luci simili all'aurora mettono in difficoltà gli scienziati con la loro complessa fisica.

Nelle zone rurali dell'Alberta, in Canada, Alan Dyer ha sfruttato la pura oscurità del suo cortile per catturare bellissime immagini di un raro bagliore del cielo chiamato STEVE. Normalmente, lascia che la sua macchina fotografica raccolga la luce per diversi secondi, il che mette in risalto il colore unico di STEVE ma sorvola i suoi dettagli più piccoli. Tuttavia, un'opportunità nell'agosto 2022 ha portato Dyer a utilizzare un metodo diverso.

Ha scelto di zoomare sul chiarore del cielo con la sua macchina fotografica e di filmare STEVE in grande dettaglio, scattando 24 istantanee al secondo. Invece del familiare ed elegante colore viola, il filmato ha rivelato STEVE come un flusso irregolare e tremolante di toni bianco-violacei.

Sebbene Dyer abbia descritto la vista come meno estetica, ha inoltrato il video a Toshi Nishimura, un fisico spaziale dell'Università di Boston, nel caso avesse un valore scientifico.

Nishimura è stato entusiasta di ricevere una visione così chiara di STEVE, ma ha scoperto che i minuscoli dettagli non corrispondevano alle idee preliminari degli scienziati sulla chimica atmosferica alla base del bagliore d'aria. Ciò ha deviato la nostra comprensione e li ha sconcertati.

Tale confusione è tipica quando si ricerca STEVE, che è l’acronimo di Strong Thermal Emission Velocity Enhancement. Da quando gli scienziati cittadini hanno iniziato a presentare le loro immagini di STEVE anni fa, hanno sollevato più domande di quante ne abbiano risolte.

Bea Gallardo-Lacourt, fisica spaziale presso il Goddard Space Flight Center della NASA, ha spiegato che ogni nuova scoperta su STEVE equivale a un numero esponenziale di nuove domande di fisica.

Durante un incontro dell’American Geophysical Union a San Francisco a dicembre, il team di Nishimura ha mostrato questa visione ad alta definizione di STEVE. Altri scienziati hanno presentato osservazioni sconcertanti su un altro bagliore del cielo non aurora che si è trasformato in STEVE. Un po' di chiarezza è arrivata sotto forma di un modello computerizzato che potrebbe spiegare le strisce verdi "staccionate" che a volte emettono da sotto STEVE.

Claire Gasque, fisica spaziale dell'Università della California, Berkeley, ha affermato che la comprensione di STEVE e del fenomeno della staccionata potrebbe contribuire al campo più ampio della fisica spaziale. Inoltre, poiché le condizioni nell'atmosfera terrestre in cui appare STEVE possono influenzare le trasmissioni satellitari, ulteriori conoscenze su questo bagliore atmosferico potrebbero estendersi ad applicazioni pratiche.

I cacciatori di aurore canadesi hanno presentato STEVE per la prima volta al mondo della scienza nel 2016. Hanno subito notato che STEVE era diverso da un'aurora: quest'ultima appare vicino ai poli della Terra, mentre la prima si presenta più vicino all'equatore. Alan Dyer, ad esempio, ha notato che mentre le aurore si verificano tipicamente a nord della sua posizione in Alberta, STEVE potrebbe apparire direttamente sopra di loro.

Rapporti successivi collegarono STEVE a un flusso di particelle cariche che si muovevano attraverso l'atmosfera ad alta velocità, creando il bagliore viola a circa 200 chilometri dal suolo. Tuttavia, le esatte molecole responsabili della tonalità distintiva di STEVE rimangono un mistero, soprattutto alla luce delle nuove intuizioni fornite dalle riprese di Dyer.

I dettagli intimi del filmato di STEVE catturato da Dyer mostravano un ruscello viola punteggiato e irregolare, che scorreva verso ovest a circa 9 chilometri al secondo. Variazioni transitorie di luminosità apparivano e scomparivano in pochi secondi, complicando ulteriormente le ipotesi esistenti.

Nishimura ha suggerito che il lancio di un razzo che trasporta sensori attraverso STEVE potrebbe aiutare a identificare le molecole. Tuttavia, la difficoltà sta nel prevedere quando e dove si verificherà STEVE.

STEVE, un fenomeno luminoso unico, appare spesso dopo il culmine delle sottotempeste, che sono disturbi nella magnetosfera che provocano incredibili aurore. Tuttavia, non tutte le sottotempeste sono accompagnate da un evento STEVE e, secondo la ricerca presentata da Gallardo-Lacourt e dal suo team all'AGU, non tutti i fenomeni STEVE richiedono una sottotempesta per manifestarsi.

Nishimura suggerisce che acquisire una comprensione più profonda della connessione tra STEVE e un bagliore non aurorale noto come arco rosso aurorale stabile (SAR) potrebbe aiutare i ricercatori a prevedere meglio gli eventi STEVE. Le foto degli scienziati cittadini indicano che un arco SAR potrebbe trasformarsi in STEVE.

Nel marzo 2015, lo scienziato cittadino Ian Griffin ha catturato uno straordinario spettacolo aurorale vicino a Dunedin, in Nuova Zelanda. Durante questo evento, Griffin notò un ampio bagliore rosso nel cielo che passava al filo color malva identificato come STEVE. Questo filmato ha fornito ai ricercatori la loro prima osservazione di uno STEVE che si sviluppa da un arco SAR. Questa scoperta è stata riportata dal fisico spaziale Carlos Martinis dell'Università di Boston e dal suo team nel giugno 2022 in Geophysical Research Letters.

Gli archi SAR, simili a STEVE, sono stati studiati dagli scienziati per molti anni. Questi bagliori d’aria, visti più vicino all’equatore rispetto alle luci del nord e del sud, si estendono da est a ovest attraverso il cielo. In contrasto con lo spettacolo di STEVE della durata di circa un'ora, gli archi SAR possono illuminare il cielo da ore a giorni, anche se generalmente deboli ad occhio nudo.

Quando i disturbi nella magnetosfera terrestre provocano collisioni di particelle cariche a migliaia di chilometri di distanza nello spazio, si formano archi SAR. Questa collisione crea calore che penetra nella ionosfera, lo strato dell'atmosfera in cui risiede STEVE. Il calore risultante spinge gli elettroni a stimolare gli atomi di ossigeno a rilasciare luce rossa che è circa un decimo più luminosa di quella delle aurore. L'arco SAR osservato da Griffin era abbastanza luminoso da rivaleggiare con le luci rosse del sud.

L'accattivante filmato catturato da Griffin ha portato Megan Gillies dell'Università di Calgary in Canada e il suo team a cercare altri casi di STEVE che si sviluppa dagli archi SAR. Hanno segnalato un caso scoperto dal Transition Region Explorer, o TREx, Spectrograph a Lucky Lake, Saskatchewan nell’aprile 2022, in Geophysical Research Letters di marzo. Una striscia viola brillante caratteristica di STEVE è emersa dal bagliore rosso di un arco SAR, è durata per circa trenta minuti prima di tornare al rosso.

Ciò che fa sì che non tutti gli archi SAR si trasformino in STEVE non è chiaro. Gillies suggerisce che il flusso di plasma che alimenta STEVE gioca un ruolo, poiché gli archi SAR sono stati associati anche al plasma che scorre verso ovest nell’atmosfera. Tuttavia, questi flussi di plasma sono più lenti di quelli che alimentano STEVE. I dati provenienti da un satellite hanno mostrato un ampio flusso di plasma nell’atmosfera che si restringe e accelera in un filamento tipico di STEVE mentre l’arco SAR osservato nel 2015 si evolve in STEVE. L’innesco di questa transizione rimane sconosciuto, e ciò che complica ancora di più è l’osservazione degli archi STEVE e SAR che coesistono ma apparentemente funzionano in modo indipendente, come testimoniato dagli scienziati cittadini.

Gillies sottolinea il valore della modellizzazione nel tentativo di comprendere questi fenomeni. I fisici possono utilizzare simulazioni al computer per verificare se la loro fisica teorica può produrre schemi di luce simili a STEVE. Queste simulazioni aiutano anche a risolvere un altro mistero legato a STEVE: l'origine della staccionata.

Inizialmente, gli scienziati ipotizzarono che le strisce verdi che occasionalmente accompagnano STEVE, conosciute come la staccionata, fossero normali aurore. Tuttavia, le lunghezze d’onda specifiche che si irradiano dalla staccionata indicano che potrebbe non trattarsi di un’aurora (SN: 12/11/20).

Le aurore normali sono illuminate da sciami di particelle cariche provenienti dalla magnetosfera. Le collisioni di queste particelle con l'atmosfera producono una gamma di colori, tra cui il verde dell'ossigeno e il rosso e il blu dell'azoto. Non osservare il blu è una prova che le guglie verdi della staccionata differiscono dalle aurore classiche, secondo Gasque.

Una spiegazione alternativa per la staccionata potrebbe essere quella dei campi elettrici incorporati nell’atmosfera terrestre che corrono paralleli al campo magnetico del pianeta, dice Gasque. Quei campi potrebbero energizzare gli elettroni locali per eccitare l’ossigeno in un verde brillante e indurre l’azoto a emettere un po’ di rosso ma non di blu. Gasque e colleghi hanno eseguito un modello computerizzato dell’atmosfera terrestre con elettroni energizzati da campi elettrici. Il team ha confrontato la luce prodotta all’interno dell’atmosfera simulata con la luce proveniente da una staccionata vista dallo spettrografo TREx a Lucky Lake nell’aprile 2018.

Il modello ha infatti riprodotto il rapporto tra luce rossa e verde vista nella staccionata reale senza una sfumatura di blu, rafforzando l’idea che i campi elettrici atmosferici potrebbero costruire la staccionata, hanno riferito i ricercatori il 16 novembre su Geophysical Research Letters e su l'incontro dell'AGU. Ma gli scienziati devono confermare che tali campi elettrici esistono effettivamente alle altitudini in cui compaiono le staccionate.

"Il piano ora è provare a far volare un razzo attraverso una di queste strutture", afferma Gallardo-Lacourt. Gasque e i suoi colleghi hanno appena proposto una missione del genere alla NASA. Il razzo non volerebbe attraverso la staccionata, il che, come STEVE, è troppo difficile da prevedere. Prenderebbe invece di mira fenomeni con colorazione simile che sono molto più comuni: aurore potenziate.

"Con le aurore potenziate, si hanno una specie di strati nitidi e luminosi all'interno dell'aurora", afferma Gasque. La nitidezza di queste variazioni nella luce aurorale e la loro combinazione di colori simile a una staccionata suggeriscono che potrebbero essere alimentati anche da campi elettrici. Se una futura missione missilistica rilevasse campi elettrici trasmessi attraverso aurore potenziate, ciò aiuterebbe a confermare che campi simili costruiscono la staccionata.

La missione Geospace Dynamics Constellation della NASA lancerà anche una flotta di veicoli spaziali già nel 2027 per sondare la magnetosfera e la ionosfera della Terra, il che potrebbe produrre più dati che aiutano a spiegare aspetti di STEVE, osserva Gallardo-Lacourt. Nel frattempo, i paparazzi di cittadini scienziati di STEVE continueranno a scattare foto del fenomeno da terra.