Van Allen, James Alfred.

Fisico statunitense. Professore di Fisica all'università dell'Iowa dal 1951, si occupò principalmente degli studi sulla radiazione cosmica; il suo nome è legato alla scoperta di una fascia fortemente radioattiva che circonda la Terra, detta fascia di Van Allen (Iowa City 1914-2006). ║ Fascia o cintura di V.A.: regione dello spazio che circonda la Terra avvolgendola, intorno al piano equatoriale, tra la quota di circa 400 km e una distanza geocentrica pari a circa 10 volte il raggio terrestre, in cui restano intrappolate, ad opera del campo geomagnetico, particelle cariche. Normalmente sono ascritte alla fascia di V.A. le particelle provviste di energia non trascurabile (da 1 keV a 700 MeV), mentre per quelle dotate di energia inferiore si parla di plasma magnetosferico. L'esistenza di tale fascia di radiazione venne scoperta da V.A. nel 1958, sulla base dei dati raccolti dalle prime esplorazioni dei satelliti americani Explorer I e II, e da altri lanciati poco dopo; egli ne delineò inoltre la struttura generale, basata sull'ipotesi dell'intrappolamento magnetico, già proposta nel 1957 dal F. Singer, secondo la quale protoni ed elettroni di origine solare rimangono intrappolati nel campo magnetico terrestre, generando la cosiddetta corrente ad anello. Più specificatamente, il fenomeno è dovuto alla particolare forma del campo magnetico terrestre, avente una struttura a bottiglia magnetica caratterizzata da linee di campo convergenti in due punti Q₁ e Q₂. Si consideri, per semplicità, una particella carica in moto in tale campo, con centro di guida appartenente all'asse Q₁Q₂: se le linee di forza del campo convergono abbastanza lentamente nei due punti, in modo tale da poter considerare approssimativamente uniforme il campo su un'orbita della particella, la quantità v_⊥2/B, denominata invariante adiabatico trasversale, si mantiene costante, dove v_⊥ indica la componente del vettore velocità perpendicolare alle linee di forza del campo stesso. Pertanto, quando la particella si muove verso il punto Q₁, dove il campo B diventa più intenso, v_⊥ aumenta. D'altra parte, poiché la forza di Lorentz agisce in direzione perpendicolare alle linee di forza del campo, il modulo del vettore velocità si mantiene costante: ne segue che la componente della velocità parallela al campo diminuisce, fino ad arrivare a un dato punto M₁ in cui si annulla, per poi cambiare di segno; la particella torna allora verso la regione in cui il campo è più debole (specchio magnetico). La situazione è quindi invertita: la particella si muove con velocità parallela sempre maggiore, fino a raggiungere il punto S in cui il campo è minimo; poi rallenta di nuovo, fino a raggiungere il punto M₂ in cui subisce una nuova riflessione. Il processo si ripete e la particella rimane così intrappolata nella bottiglia magnetica, oscillando tra i punti M₁ e M₂. Il meccanismo di intrappolamento descritto determina la formazione della fascia di radiazione di V.A.; in realtà, assimilando il campo magnetico terrestre a quello di un dipolo, si trova che le particelle intrappolate sono soggette a tre moti periodici: oltre al moto di girazione, in base al quale ogni particella descrive un'orbita circolare intorno a una linea di forza, e di oscillazione in latitudine, in base al quale il centro di guida oscilla tra due punti di riflessione situati nei due emisferi in posizione simmetrica rispetto all'Equatore geomagnetico, ogni particella subisce anche un terzo moto di deriva in longitudine, con velocità costante, dovuto alla curvatura delle linee di forza del campo. Di conseguenza, i centri di guida delle particelle si spostano da una linea di forza all'altra, descrivendo il giro completo della Terra in parecchie ore. Le particelle che compongono la fascia di V.A. sono costituite nella maggior parte da elettroni e protoni, oltre che da diversi tipi di ioni, disposti secondo energia decrescente dall'interno verso l'esterno della fascia stessa; oggi si pensa che la loro principale sorgente sia il vento solare. Resta, tuttavia, da chiarire il meccanismo in base al quale tali particelle entrano nella fascia di radiazione: se, da una parte, il meccanismo di intrappolamento magnetico impedisce alle particelle cariche di uscire dalla bottiglia di forza, dall'altra il medesimo meccanismo impedisce a quelle esterne di penetrarvi. La risposta a questo interrogativo è data oggi dalla teoria della diffusione, che si basa sull'ipotesi di un fenomeno di intrappolamento non perfetto, a causa delle variazioni temporali del campo magnetico terrestre: tale teoria prevede, da un lato, la fuoriuscita dalla bottiglia magnetica di tutte quelle particelle le cui traiettorie cadono entro un cono di perdita, e dall'altro, permette l'ingresso a particelle esterne e la loro diffusione graduale verso il basso, con un meccanismo che, tuttavia, resta ancora da chiarire. Il moto di deriva in longitudine secondo sensi opposti di protoni ed elettroni della fascia di V.A., infine, genera una corrente elettrica che circola intorno alla terra nel piano equatoriale da Est verso Ovest, denominata corrente ad anello; tale corrente si intensifica durante le tempeste geomagnetiche, inducendo, durante la fase iniziale della tempesta, una diminuzione della componente orizzontale del campo magnetico, che può essere rilevata strumentalmente.