Plasma: lo stato ionizzato dell’Universo

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Iniziando la serie “In a nutshell“, cioè post “in breve”, non posso non trattare anche l’argomento Plasma che mi affascina da sempre.

Questo post non è breve in realtà, quindi non posso metterlo all’interno della serie, ma ha molto a che fare con essa, resta un argomento specifico e si colloca perfettamente all’interno della serie sul Sole, e poi alla fine non è così lungo come certi altri che ho prodotto.

Nella serie parliamo di Sole, di macchie solari, di tubi di flusso, di brillamenti ed eruzioni di materia coronale EMC, di vento solare… insomma abbiamo a che fare proprio con

il 4° stato della materia

In realtà è qualcosa che all’uomo comune sfugge perché apparentemente non fa parte delle proprie esperienze quotidiane (ma non è del tutto vero come vedremo), quindi pur avendo sentito parlare di questo stato, in realtà spesso non sappiamo di cosa si sta parlando (se non siamo tecnici o professionisti e studiosi del settore).

Ho quindi riassunto questo affascinante stato in 8 punti:

1) “Nel Cosmo, il plasma è la forma più comune di materia

…più comune di solidi, liquidi e gas!” ci ricorda Esperimentanda.
Solo sulla Terra quindi esso rappresenta una eccezione.

2) Il plasma è un
“gas completamente ionizzato”, caldo

Ricordiamo cosa significa? Fisica e Chimica vengono in nostro aiuto:

“ionizzato” indica che praticamente tutti gli elettroni (-) sono stati strappati dalla loro orbita attorno ai rispettivi atomi, per cui c’è una quantità “approssimativamente uguali di ioni+ e di elettroni carichi negativamente” e quindi il gas risulta globalmente neutro (la cui carica elettrica totale è cioè nulla)

ma non finisce qui:
assieme agli ioni, tali elettroni si muovono in modo indipendente, non più legati come negli altri stati della materia.

Infatti il plasma è considerato come il 4° stato della materia, che si distingue quindi dal solido, il liquido e l’aeriforme.

Solo per fare chiarezza, per chi non avesse familiarità con la chimica:

atomo neutro:
protoni + ed elettroni – si bilanciano (quelli grigi sono neutroni, qui non ci interessano)

elettroni-
(particelle di carica – che orbitano attorno al nucleo di un atomo: la nuvola grigio-scura nell’immagine rappresenta la probabilità che l’elettrone si trovi in un determinato punto in ogni momento)

ione+
(atomo neutro a cui è strappato uno o più elettroni e-, diventando carico positivamente)

ione+ o ione- dipendono dal fatto che gli elettroni siano stati strappati (figura di destra) o aggiunti (figura di sinistra) all’atomo

Atomi neutri…

…a cui sono stati strappati elettroni – diventano quindi...

..Ioni che hanno carica + (detti “cationi” o Ioni+) , ed è piuttosto facile capirlo perché se togli le cariche negative che orbitano attorno al nucleo positivo, restano più cariche positive in quanto i protoni+ del nucleo risultano improvvisamente essere superiori di numero.

L’Istituto di Fisica del Plasma, del CNR, aggiunge un dettaglio alla definizione:

“gas ionizzato costituito da una miscela quasi-neutra di:
– elettroni liberi (-)
– ioni (atomici o molecolari)
– specie neutre interagenti tra di loro”

Un’altra definizione alternativa di gas ionizzato:

un fluido costituito da “protoni liberi” che continuamente collidono fra loro molte volte al secondo (“protoni liberi” perché, essendo l’idrogeno H il gas più diffuso nel Cosmo, ed avendo l’atomo di H un solo protone+ e un solo e-, va da sé che se togli l’unico elettrone- resta un protone+ libero, cioè ione+, oltre al neutrone del nucleo)

3) – Altro punto importante:
le cariche elettriche libere fanno sì che il plasma sia un buon conduttore di elettricità, e
risponda fortemente ai campi elettromagnetici

“Quando il plasma è molto caldo risulta privo di atomi neutri; in questo caso non può reagire chimicamente né fare transizioni di fase (passaggio da uno stato della materia all’altro).
I plasmi sono invece capaci di condurre corrente elettrica anche meglio dei metalli, e producono quindi facilmente campi magnetici propri.

Se poi il plasma si muove in modo macroscopico (come un fluido conduttore, vedi il Sole), la situazione diventa complessa: il moto crea nuovo campo magnetico ed il campo magnetico a sua volta influenza il moto.

Qui sopra, siccome la rotazione del Sole avviene in modo differenziato, quindi più veloce all’equatore (25 giorni) rispetto ai poli (34 giorni), avviene uno stiramento delle linee di forza del campo magnetico, da cui poi nascono tubi di flusso, macchie solari e anelli coronali (come vedremo in altro post a breve).

I plasmi sono sempre “animati” da fenomeni auto-organizzati (“e talvolta in modo perverso!” – qui l’autore Alladio si riferisce ai filamenti magnetici del Sole inteso come sfera di plasma rotante)”.

4) Al crescere della temperatura la materia si trasforma

..cambiando il suo stato di aggregazione (solido, liquido, gas, plasma), ma lo fa non in modo graduale bensì repentino...

“Per ottenere il plasma occorre fornire alle molecole di un gas, a una data pressione, energia termica sufficiente a dissociare le molecole e ionizzare gli atomi e le molecole del gas stesso”.

Una slide di Franco Alladio della associazione Euratom, spiega questo punto (trascrivo per i gentili fedeli visitatori stranieri):

Plasma lo diventa qualunque materiale, se lo si arroventa abbastanza.
Il Sole tuttavia, diversamente dai pianeti, è proprio fatto di plasma (mentre all’interno sono costantemente in atto nel nucleo reazioni termonucleari).
Un plasma è essenzialmente un gas completamente ionizzato, cioè dissociato in elettroni e nuclei del tutto slegati e quindi conduttore così chiamato da Debije perché “plasmabile” con campi magnetici.

5) Il Cosmo ne è pieno per oltre il 99%, incredibile vero?!

In pratica costituisce più del 99% della materia conosciuta, si trovano infatti sotto forma di plasma:

il Sole

l’interno delle stelle

la corona solare

lo spazio interstellare

ammassi di galassie (cluster)

le nebulose

6) A proposito, credevate che esistesse solo nell’universo? Ebbene, vi sbagliavate:
anche qui sulla Terra esiste il plasma, eccome!

La sua presenza è tuttavia molto più ridotta, ma è anche vero che non è così raro come un profano può credere, viste le frequenti occasioni speciali di cui possiamo essere testimoni, che però in alcuni casi ben noti possono diventare molto pericolose:

– la Ionosfera

Strato molto esteso in atmosfera, fondamentale per le comunicazioni radio ma anche per intercettare le particelle di vento solare. Alta percentuale di ionizzazione

– le Aurore

che si formano proprio per l’incanalamento delle particelle di vento solare letale, ionizzate, lungo le linee del campo magnetico terrestre, verso i poli

– i Fulmini

Per loro riservo una piccola parentesi più lunga, perché sono il fenomeno di plasma più facilmente osservabile nella nostra esperienza quotidiana (tratto da un articolo di CentroMeteo).
Tanto per capire di che portata di energie stiamo parlando e come mai sono così potenti, considerate che:

i temporali contengono energia pari o superiore a
10 bombe atomiche

del tipo sganciato su Hiroshima (agosto del 1945).

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Scheda sui fulmini:

• in milionesimi di secondo (tempi umanamente impercettibili) la temperatura del plasma può raggiungere i 33.000° C = 59.432° F (5 volte la temperatura della superficie del Sole)
  
  A queste temperature:
  
• può ridurre gli alberi delle navi in segatura sparsa per il mare
• fondere i metalli bucando le campane delle chiese
• trasformare delle catene in sbarre di ferro saldate tra loro
• Lunghezza: anche decine di km
• Larghezza: poco più di una matita !
• Velocità: anche un terzo della velocità della luce (quindi 100.000 km/sec; la circonferenza terrestre è 40.000 km…);
• Tempo: la scarica leader raggiunge il punto di congiunzione in 20 millisecondi, la scarica di ritorno in 70 millisecondi raggiunge la nube (capite bene che è impossibile riuscire a coglierli con la vista)
• Il tuono non è altro che un’espansione improvvisa ed esplosiva dell’aria, provocato da questo stesso calore.

Fulmini solo nei temporali?
Questi plasmi si formano principalmente nei cumulonembi, ma non solo. I fulmini possono infatti verificarsi anche in altre situazioni più particolari:
– tempeste di sabbia
– bufere/temporali di neve
– nuvole di polvere vulcanica

Esistono anche i casi di “fulmine a ciel sereno”
– quelli rarissimi con cielo coperto ma senza precipitazione in corso
– addirittura quelli con cielo sereno!

Come si formano?
L’aria è un isolante, infatti le molecole che la formano normalmente si trovano allo stato neutro; perché ci sia il passaggio di corrente elettrica, l’aria deve essere “ionizzata” (concetto importante), cioè devono essere strappati elettroni a delle molecole che diventano così ioni positivi (ioni+); tali elettroni strappati sono poi catturati da altre molecole, formando gli ioni negativi (ioni-).

Perché questo processo di formazione di ioni+ e ioni- avvenga c’è bisogno di energia, e come abbiamo visto, all’interno di un temporale ce n’è da vendere!

Il fulmine è un processo di “scarica a valanga”, cosa vuol dire?

E’ la stessa energia prodotta dal fulmine che ionizza ulteriori particelle d’aria
(“gli ioni accelerati dal campo elettrico hanno energia cinetica superiore all’energia di estrazione degli elettroni e quindi producono con i loro soli urti la ionizzazione delle particelle d’aria“)

Considerate inoltre che praticamente, da quanto detto, risulta chiaro come i fulmini e le nuvole temporalesche siano “acceleratori naturali di particelle”: i raggi gamma emessi dai fulmini reagiscano con l’aria per produrre radioisotopi e anche positroni, l’equivalente antimaterico degli elettroni.

Una volta creato il canale ionizzato (formato dall’incontro della parte che scende con quella che sale) altri fulmini possono utilizzarlo (producendo una caratteristica luce intermittente) con formazione o meno di ulteriori canali secondari,
la ramificazione.

Esistono anche altri tipi di fulmini, molto particolari, rari e di cui si sa molto poco:

• red sprites (spiriti rossi), Fulmine nube-cielo, fulmine dell’alta atmosfera
• Palla di fuoco, (ball lightning): o anche fulmine sferico o globulare, estremamente raro, generalmente non pericoloso, appare come una sfera di fuoco, dal diametro di qualche metro, che danza per alcuni secondi, lasciando allibiti gli spettatori;
• Fuochi di S. Elmo, un velo incandescente di forma varia che si forma attorno alle punte di qualsiasi oggetto sporgente (estremità di alberi di nave, cime di piante d’alto fusto, guglie, ecc…). Prende il nome del patrono dei marinai.

Quanti fulmini sulla Terra ogni giorno?
– circa 800 temporali in atto sulla Terra in ogni momento
– da 30 a 100 fulmini nuvola-Terra in ogni secondo per un totale di
– 5.000.000 di fulmini al giorno

Anche se da voi il tempo sembra bello, la Terra è grande e ci sono un sacco di situazioni meteo molto diverse qua e là per il mondo.

Questa ultima raccomandazione non deve mai mancare:
mi raccomando, in caso di temporale con tuoni e fulmini
M A I
– mettersi SOTTO UN ALBERO o
– CAMMINARE CON L’OMBRELLO o il CELLULARE in mano

Sono le situazioni più pericolose

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– le Fiamme

sono una miscela luminosa di gas ad alta temperatura derivati dalla combustione di sostanze solide, liquide o gassose.
La luce è dovuta a fenomeni di eccitazione degli elettroni che assorbono energia sotto forma di calore e la convertono in energia luminosa.
La forma allungata della fiamma è dovuta alla tendenza dei gas caldi a salire verso l’alto.
A mano a mano che si allontanano dal punto di combustione si raffreddano e la fiamma si assottiglia.

– in Alta Atmosfera

lo strato di gas ionizzato ed estremamente caldo che si forma sullo scudo termico dei veicoli spaziali al rientro nell’atmosfera, lo stesso che incendia e disintegra totalmente o parzialmente i meteoriti che precipitano verso il nostro pianeta

7) Come se non bastasse, ai plasmi presenti in natura si aggiungono quelli generati in laboratorio

L’ISTP del CNR ci ricorda infatti:

– Tubi al neon

– Sfere al plasma

Ringrazio il gentile Mario M. di Esperimentanda per il contributo.

• “Una sfera di vetro trasparente riempita a bassa pressione con una miscela di gas nobili e un elettrodo ad alta tensione posto al centro”

• Quali sono questi gas?
  “Il Neon, che da il colore rosso diffuso alla sfera. L’Argon, che forma i filamenti.
  Una piccola quantità di Xeno crea dei “fiori” alle estremità dei filamenti”

• L’elettrodo al centro è una “bobina di Tesla”, dal nome del suo inventore, mentre la sfere moderne sono state progettate la prima volta da Bill Parker
• In breve, “nella sfera c’è un vuoto parziale, la pressione infatti è circa 1/10 di quella atmosferica, e dato che non c’è molta aria è più facile creare scintille visibili” (esattamente come nella media ed alta atmosfera dove l’aria è più rarefatta, nello spazio o sulla superficie del Sole).
  L’alimentazione ad alta frequenza a cui è collegato l’elettrodo fa oscillare gli elettroni così tanto da farli staccare dai rispettivi atomi, avviene quindi anche qui la ionizzazione necessaria per produrre il plasma.

Scuola Laboratori

Accenno brevissimo alla parte “sperimentale-giocosa” di questo magnifico strumento, 3 esperimenti suggeriti sempre da Esperimentanda, in cui a SCUOLA il vostro insegnante può dimostrarvi come l’elettricità scorre davvero attraverso di voi:

1) “tieni con una mano l’estremità del tubo al neon (o lampadina fluorescente) e tocca con l’altra estremità la sfera al plasma.
Usa l’altra mano per creare un percorso per le cariche elettriche, le quali si creano nella sfera al plasma, vanno nel tuo braccio, poi giù per il tuo corpo, fin sul pavimento” (se ti limiti solo ad appoggiare la lampadina alla sfera, si illumina non con lo stesso meccanismo, ma per i campi elettromagnetici prodotti dalle cariche in movimento)

2) una sedia di legno (basta non sia di metallo), ti ci siedi con le gambe incrociate (i piedi non devono toccare terra), metti una mano sulla sfera al plasma, ti fai passare da un amico il tubo fluorescente.
Il tubo si accende.
Che succede ora quando l’amico lo molla e resta nella tua mano? Siccome sei sulla sedia, isolato dal terreno e pieno di elettroni-, il tubo si illumina più intensamente

3) le persone sono buoni conduttori “a catena”:
Una stanza molto buia vista la resistenza creata da più corpi in catena.
Alcune persone che si tengono per mano (l’intera catena è isolata dal suolo eccetto l’ultima persona).
La prima ha una mano libera pronta ad essere appoggiata sulla sfera al plasma. Le ultime 2 persone tengono un tubo al neon tra di loro (che dimostra che l’elettricità sta ancora scorrendo).
Quando il primo tocca la sfera, l’elettricità fluisce dalla sfera al plasma, attraverso la catena, il tubo e poi giù lungo il corpo dell’ultima persona fino sul pavimento. Più persone partecipano più la luce nel tubo risulterà fioca.

– Archi elettrici

sono scariche elettriche in aria che mettono in gioco una potenza elevatissima in tempi molto brevi, con temperature d’arco che
possono superare i 10.000 °C = 18.032 °F

– Scariche a radiofrequenza per applicazioni industriali

– fino ai Plasmi ad altissime temperature
per le ricerche sulla fusione termonucleare controllata

8) I “Dusty Plasma” (plasmi polverosi)

è degno di nota specificare questo aspetto interessante segnalato sempre dall’ISTP

“una categoria di plasmi in cui tra i costituenti ci sono anche piccoli aggregati di materia solida (di dimensioni variabili dai nanometri – nm – ai millimetri – mm – ) che si caricano negativamente poiché gli elettroni si muovono di più degli ioni.
La caratteristica dinamica dei dusty plasma consiste nel fatto che
la carica elettrica dei granelli di “polvere” varia rapidamente nel tempo”.

Inoltre sono i preferiti dai ricercatori di fisica perché sono relativamente facili da controllare e forniscono una visione unica della fisica a livello di singola particella.

Essendo però in molti casi difficili da studiare in forma pura perché la gravità della Terra influisce sul modo in cui le particelle di polvere si depositano e su come si cristallizzano, questo è un campo di studio e di ricerca molto produttivo e promettente a bordo della stazione spaziale ISS.

Appartengono a questa categoria:

– le Comete

Delle due code formate a causa del vento solare, una è proprio quella di plasma polveroso (però questa non è formata dal vento solare bensì dai fotoni)

– gli Anelli dei Pianeti

“Nelle numerose immagini raccolte dalla sonda Cassini gli anelli di Saturno appaiono grumosi, lisci o striati in base al modo in cui si sono formati e all’interazione con le lune che li “scolpiscono” continuamente, orbita dopo orbita.
Le lune, attraverso la forza di trazione gravitazionale, prelevano continuamente particelle e scolpiscono i confini degli anelli, creando moti ondosi.
Gli anelli sono composti da oggetti che vanno dalle dimensioni di particelle (pochi micrometri) a blocchi di ghiaccio di metri.

– le Nebulose

– le Fiamme

Ma anche ciò che si produce durante

– le Eruzioni vulcaniche

– gli Aerosol atmosferici

Derivano dalla stratosfera terrestre fino alla superficie e hanno un ruolo importante nel clima della Terra e sulla salute umana – respirare quelli sbagliati può essere dannoso.
Vedi gli aerosol quando vedi il fumo fluttuare da un incendio, la cenere che esplode da un vulcano o una polvere che soffia nel vento.

– le Sabbie desertiche trasportate dal vento

“La presenza di polveri è documentata anche nei reattori a fusione termonucleare e in reattori destinati a processi industriali”.

Va precisato, inoltre, che la materia conosciuta rappresenta soltanto una piccola percentuale, pari a circa il 5%, dell’intero contenuto di materia ed energia dell’Universo, mentre il restante 95% è costituito dalle cosiddette energia oscura e materia oscura, ovvero forme di energia e materia non rilevabili direttamente mediante le loro emissioni elettromagnetiche (post Dark Matter)

Spero vi sia piaciuto questo breve viaggio, ci vediamo presto con altri argomenti interessanti.

Link utili:
ISTP-CNR Fisica del Plasma
Esperimentanda
Franco Alladio – Associazione Euratom-ENEA sulla Fusione
CentroMeteo – tutto sulla meteorologia

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