Carcasa en forma de L

La capa L , valor L o parámetro L de McIlwain (en honor a Carl E. McIlwain ) es un parámetro que describe un conjunto particular de líneas de campo magnético planetario . Coloquialmente, el valor L suele describir el conjunto de líneas de campo magnético que cruzan el ecuador magnético de la Tierra en un número de radios terrestres igual al valor L. Por ejemplo,${\displaystyle L=2}$Describe el conjunto de líneas del campo magnético terrestre que cruzan el ecuador magnético terrestre a dos radios terrestres del centro de la Tierra. Los parámetros de la capa L también pueden describir los campos magnéticos de otros planetas. En tales casos, el parámetro se renormaliza para el radio y el modelo de campo magnético de ese planeta. ^{[ 1 ]}

Aunque el valor L se define formalmente en términos del verdadero campo magnético instantáneo de la Tierra (o un modelo de orden superior como IGRF ), a menudo se utiliza para dar una imagen general de los fenómenos magnéticos cerca de la Tierra, en cuyo caso se puede aproximar utilizando el modelo dipolar del campo magnético de la Tierra .

Los movimientos de partículas cargadas de baja energía en el campo magnético terrestre (o en cualquier campo magnético casi dipolar) pueden describirse útilmente en términos de las coordenadas de McIlwain ( B , L )  , donde B  es simplemente la magnitud (o longitud) del vector del campo magnético. ^{[ 2 ]} Esta descripción es más valiosa cuando el radio de giro de la órbita de la partícula cargada es pequeño en comparación con la escala espacial de los cambios en el campo. Entonces, una partícula cargada seguirá básicamente una trayectoria helicoidal orbitando la línea de campo local. En un sistema de coordenadas local {x,y,z}  donde z  está a lo largo del campo, el movimiento transversal será casi un círculo, orbitando el " centro guía ", es decir, el centro de la órbita o la línea B  local , con el radio de giro y la frecuencia característicos del movimiento ciclotrónico para la intensidad del campo, mientras que el movimiento simultáneo a lo largo de z  será a una velocidad casi uniforme, ya que la componente de la fuerza de Lorentz a lo largo de la línea de campo es cero.

En el siguiente nivel de aproximación, a medida que la partícula orbita y se mueve a lo largo de la línea de campo, a lo largo de la cual el campo cambia lentamente, el radio de la órbita cambia para mantener constante el flujo magnético encerrado por la órbita. Dado que la fuerza de Lorentz es estrictamente perpendicular a la velocidad, no puede cambiar la energía de una partícula cargada que se mueve en ella. Por lo tanto, la energía cinética de la partícula permanece constante. Entonces, su velocidad también debe ser constante. Entonces se puede demostrar que la velocidad de la partícula paralela al campo local debe disminuir si el campo aumenta a lo largo de su movimiento en el eje z  , y aumentar si el campo disminuye, mientras que las componentes de la velocidad transversales al campo aumentan o disminuyen para mantener constante la magnitud de la velocidad total. La conservación de la energía impide que la velocidad transversal aumente indefinidamente, y finalmente la componente longitudinal de la velocidad se vuelve cero, mientras que el ángulo de cabeceo de la partícula con respecto a la línea de campo se vuelve de 90°. Entonces el movimiento longitudinal se detiene y se invierte, y la partícula se refleja hacia regiones de campo más débil, el centro guía ahora recorre su movimiento anterior a lo largo de la línea de campo, con la velocidad transversal de la partícula disminuyendo y su velocidad longitudinal aumentando. ^{[ 3 ]}

En el campo (aproximadamente) dipolar de la Tierra, la magnitud del campo es mayor cerca de los polos magnéticos y menor cerca del ecuador magnético. Por lo tanto, después de que la partícula cruza el ecuador, encontrará nuevamente regiones de campo creciente, hasta que se detenga una vez más en el punto de reflexión magnética , en el lado opuesto del ecuador. El resultado es que, mientras la partícula orbita su centro guía sobre la línea de campo, rebota entre el punto de reflexión norte y el punto de reflexión sur, permaneciendo aproximadamente sobre la misma línea de campo. La partícula queda, por lo tanto, atrapada sin fin y no puede escapar de la región de la Tierra. Las partículas con ángulos de inclinación demasiado pequeños pueden chocar con la parte superior de la atmósfera si no se reflejan antes de que su línea de campo se acerque demasiado a la Tierra, en cuyo caso eventualmente serán dispersadas por los átomos en el aire, perderán energía y se perderán de los cinturones. ^{[ 4 ]}

Sin embargo, para partículas que se reflejan a altitudes seguras (en una aproximación aún mayor), el hecho de que el campo generalmente aumente hacia el centro de la Tierra implica que la curvatura en el lado de la órbita más cercano a la Tierra es algo mayor que en el lado opuesto, de modo que la órbita tiene una forma ligeramente no circular, con una forma cicloidal (prolata) , y el centro guía se mueve lentamente perpendicularmente tanto a la línea de campo como a la dirección radial. El centro guía de la órbita del ciclotrón, en lugar de moverse exactamente a lo largo de la línea de campo, se desplaza lentamente hacia el este o el oeste (dependiendo del signo de la carga de la partícula), y la línea de campo local que conecta los dos puntos de reflexión en cualquier momento, barre lentamente una superficie que los conecta a medida que se mueve longitudinalmente. Finalmente, la partícula se desplazará completamente alrededor de la Tierra, y la superficie se cerrará sobre sí misma. Estas superficies de deriva, anidadas como la piel de una cebolla, son las superficies de L  constante en el sistema de coordenadas de McIlwain. Se aplican no solo a un campo dipolar perfecto, sino también a campos que son aproximadamente dipolares. Para una partícula dada, siempre que solo intervenga la fuerza de Lorentz, B  y L  permanecen constantes y las partículas pueden quedar atrapadas indefinidamente. El uso de coordenadas ( B , L )  nos permite representar el campo terrestre o planetario real, no dipolar, en coordenadas que se comportan esencialmente como las de un dipolo perfecto. El parámetro L  se suele expresar en radios terrestres, respecto al punto donde la capa cruza el ecuador magnético del dipolo equivalente. B  se mide en gauss.

En un modelo de campo magnético dipolar centrado, la trayectoria a lo largo de una capa L dada se puede describir como ^{[ 5 ].}$${\displaystyle r=L\cos ^{2}\lambda }$$ dónde${\displaystyle r}$es la distancia radial (en radios planetarios) a un punto en la línea,${\displaystyle \lambda }$es su latitud geomagnética y${\displaystyle L}$es la capa L de interés.

Para la Tierra, las capas L definen de manera única regiones de particular interés geofísico. Ciertos fenómenos físicos ocurren en la ionosfera y la magnetosfera en capas L características. Por ejemplo, las auroras boreales son más comunes alrededor de L=6, pueden alcanzar L=4 durante perturbaciones moderadas y, durante las tormentas geomagnéticas más severas , pueden acercarse a L=2. Los cinturones de radiación de Van Allen corresponden aproximadamente a L=1,5–2,5 y L=4–6 . La plasmapausa suele producirse alrededor de L=5.

El campo magnético joviano es el campo planetario más fuerte del Sistema Solar . Su campo magnético atrapa electrones con energías mayores de 500 MeV ^{[ 6 ].} Las capas L características son L=6, donde la distribución de electrones experimenta un endurecimiento marcado (aumento de energía), y L=20-50, donde la energía de los electrones disminuye al régimen VHF y la magnetosfera finalmente da paso al viento solar. Debido a que los electrones atrapados de Júpiter contienen tanta energía, se difunden más fácilmente a través de las capas L que los electrones atrapados en el campo magnético de la Tierra. Una consecuencia de esto es un espectro de radio más continuo y de variación suave emitido por electrones atrapados en resonancia giroscópica .

• campo magnético de la Tierra
• Modelo dipolar del campo magnético terrestre
• Centro de orientación
• Latitud geomagnética
• Campo Geomagnético de Referencia Internacional
• TEP
• Modelo Magnético Mundial

• Tascione, Thomas F. (1994), Introducción al entorno espacial (2.ª ed.), Malabar, FL: Kreiger
• Margaret Kivelson y Christopher Russell (1995), Introducción a la física espacial , Nueva York, NY: Cambridge University Press, págs.  166-167 .