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L'enigma della corona solare

La corona solare è quella parte del sole, ordinariamente non visibile, che si estende per più di un milione di chilometri oltre la sua superficie. La densità del plasma che la costituisce è bassissima, circa un millesimo di miliardesimo di quella presente sulla superficie del sole. Un'altra caratteristica che rende straordinaria la corona solare è la sua temperatura, che è dell'ordine di alcuni milioni di gradi centigradi.

Un fatto ben noto, espresso pure da una legge termodinamica, è che il calore procede dalle zone più calde a quelle più fredde. Invece la corona solare, pur avviluppando una superficie molto più fredda, quella del sole, e pur essendo circondata dal freddissimo vuoto cosmico, possiede e mantiene temperature elevatissime. Per quale motivo è così calda e perché non si raffredda?

A mantenere quell'elevata temperatura deve evidentemente intervenire un meccanismo che operi in maniera non usuale, nel senso che in quell'ambiente estremo deve venire meno il normale flusso di calore da un corpo più caldo ad uno più freddo. Esiste un tale meccanismo? Se sì, come funziona?

La chiave perché un tale meccanismo funzioni dev'essere un'altra caratteristica peculiare di questo gas, la densità, la quale è così bassa che se si verificasse una tale condizione sulla terra si parlerebbe di vuoto assoluto. Che cosa avviene quando un gas è così rarefatto?

La corona riceve calore dal sole e ne perde emettendo a sua volta della radiazione. Per rimanere in equilibrio radiativo, ossia affinché la temperatura rimanga costante, vi dev'essere equilibrio fra la radiazione che la corona riceve e quella che emette.

Qui avviene un fatto peculiare. L'energia che ogni singola particella di gas riceve dal sole è indipendente dalla presenza di altre particelle nelle sue vicinanze, ossia non dipende dalla densità del gas. Un fotone può colpire una particella indipendentemente dal fatto che nelle sue vicinanze vi siano altre particelle.

D'altra parte, l'energia che una singola particella irradia dipende dalla presenza di altre particelle nelle sue vicinanze. Per quale motivo? Il fatto è che l'energia posseduta dalle particelle del plasma della corona è cinetica. Maggiore è la temperatura del gas e maggiore è l'energia cinetica media delle singole particelle.

In tali condizioni, il solo modo affinché una particella di plasma perda energia emettendo radiazione è mediante l'urto con un'altra particella. Infatti, dal proprio punto di vista ogni particella è ferma e non può irradiare a meno che non interagisca con un'altra particella, perché essendo ferma non possiede energia cinetica, ed evidentemente essa non può perdere ciò che non ha.

La situazione è diversa quando avviene un urto, o interazione, fra due particelle. Come risultato dell'urto le particelle cambiano il loro stato di moto, la loro energia cinetica media rispetto al baricentro comune diminuisce e l'eccesso di energia viene emesso sotto forma di radiazione.

A causa della bassissima densità del gas la probabilità affinché due particelle di gas interagiscano è molto bassa. Minore è la densità e minore è la probabilità che avvenga un urto tra particelle. Per questo motivo, più il gas è rarefatto e meno irradia.

Ecco perciò che affinché si abbia equilibrio radiativo la temperatura del gas deve aumentare. Infatti, al crescere della temperatura – e quindi della velocità media delle particelle – aumenta anche la probabilità d'urto fra le particelle e nello stesso tempo aumenta pure l'energia media irradiata in seguito a ciascuna collisione, poiché sono coinvolte energie cinetiche più elevate.

A questo punto, una domanda che uno potrebbe porsi è: Per quale motivo questo meccanismo non funziona anche sul gas rarefatto che circonda la terra, visto che col crescere dell'altitudine rispetto alla superficie del suolo la densità dell'aria diminuisce fino a raggiungere i valori dello spazio cosmico?

In effetti il gas molto tenue che si trova ad alcune centinaia di chilometri sopra la superficie della terra possiede temperature dell'ordine di alcune centinaia di gradi. E similmente le atmosfere esterne estremamente rarefatte degli altri pianeti del sistema solare hanno temperature considerevolmente più alte di quelle delle loro atmosfere sottostanti.

Ciò non significa però che un satellite che passi attraverso questo gas incandescente si surriscaldi, in quanto la sua estrema rarefazione rende quasi nullo il trasferimento di calore per contatto.

Questo fenomeno di surriscaldamento di un gas si verifica ogni volta che si parla di gas estremamente rarefatto e occupante un volume molto esteso, in modo che non ci sia scambio di calore per contatto con le pareti che lo contiene. In mancanza di un appellativo migliore, in futuro ci si riferirà ad esso come all'effetto Trevisan.