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Magnetosfera

Representación artística de una magnetosfera. En astronomía y ciencia planetaria , una magnetosfera es una región del espacio que rodea un objeto astronómico , como un planeta u...

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Representación artística de una magnetosfera.

En astronomía y ciencia planetaria , una magnetosfera es una región del espacio que rodea un objeto astronómico , como un planeta u otro objeto, en la que las partículas cargadas se ven afectadas por el campo magnético de ese objeto . [ 1 ] [ 2 ] Es creada por un cuerpo celeste con una dinamo interna activa .

En el entorno espacial cercano a un cuerpo planetario con un campo magnético dipolar como la Tierra, las líneas de campo se asemejan a un dipolo magnético simple . Más lejos, las líneas de campo pueden distorsionarse significativamente por el flujo de plasma conductor eléctrico , como el emitido por el Sol (es decir, el viento solar ) o una estrella cercana. [ 3 ] [ 4 ] Los planetas que tienen magnetosferas activas, como la Tierra, son capaces de mitigar o bloquear los efectos de la radiación solar o la radiación cósmica . [ 5 ] Las interacciones de partículas y atmósferas con magnetosferas se estudian dentro de las disciplinas científicas especializadas de física de plasmas , física espacial y aeronomía .

Historia

El estudio de la magnetosfera terrestre comenzó en 1600, cuando William Gilbert descubrió que el campo magnético en la superficie de la Tierra se asemejaba al de una terrella , una pequeña esfera magnetizada. En la década de 1940, Walter M. Elsasser propuso el modelo de la teoría de la dinamo , que atribuye el campo magnético terrestre al movimiento del núcleo externo de hierro de la Tierra . Mediante el uso de magnetómetros , los científicos pudieron estudiar las variaciones del campo magnético terrestre en función del tiempo, la latitud y la longitud.

A partir de finales de la década de 1940, se utilizaron cohetes para estudiar los rayos cósmicos . En 1958, se lanzó el Explorer 1 , la primera de la serie de misiones espaciales Explorer, para estudiar la intensidad de los rayos cósmicos por encima de la atmósfera y medir las fluctuaciones de esta actividad. Esta misión observó la existencia del cinturón de radiación de Van Allen (ubicado en la región interna de la magnetosfera terrestre), y el Explorer 3, lanzado ese mismo año, demostró definitivamente su existencia. También en 1958, Eugene Parker propuso la idea del viento solar , y Thomas Gold, en 1959 , propuso el término «magnetosfera» para explicar cómo el viento solar interactuaba con el campo magnético terrestre. La posterior misión del Explorer 12 en 1961, liderada por la observación de Cahill y Amazeen en 1963 de una disminución repentina en la intensidad del campo magnético cerca del meridiano del mediodía, posteriormente se denominó magnetopausa . En 1983, el Explorador Internacional de Cometas observó la magnetocola , o el campo magnético distante. [ 4 ]

Estructura y comportamiento

La estructura de las magnetosferas depende de varios factores: el tipo de objeto astronómico, la naturaleza de las fuentes de plasma y momento , el período de rotación del objeto, la naturaleza del eje alrededor del cual gira el objeto, el eje del dipolo magnético y la magnitud y dirección del flujo del viento solar .

La distancia planetaria a la que la magnetosfera puede soportar la presión del viento solar se denomina distancia de Chapman-Ferraro.RdoF{\displaystyle R_{\rm {CF}}}Esto se modela útilmente mediante la fórmula en la queRPAG{\displaystyle R_{\rm {P}}}representa el radio del planeta,BstúrF{\displaystyle B_{\rm {surf}}}representa el campo magnético en la superficie del planeta en el ecuador,VSW{\displaystyle V_{\rm {SW}}}representa la velocidad del viento solar,ρ{\displaystyle \rho }es la densidad de partículas del viento solar, yμ0{\displaystyle \mu _{0}}es la constante de permeabilidad del vacío :

RdoF=RPAG(BstúrF2μ0ρVSW2)16{\displaystyle R_{\rm {CF}}=R_{\rm {P}}\left({\frac {B_{\rm {surf}}^{2}}{\mu _{0}\rho V_{\rm {SW}}^{2}}}\right)^{\frac {1}{6}}}

Una magnetosfera se clasifica como "intrínseca" cuandoRdoF≫RPAG{\displaystyle R_{\rm {CF}}\gg R_{\rm {P}}}o cuando la principal oposición al flujo del viento solar es el campo magnético del objeto. Mercurio , la Tierra, Júpiter , Ganímedes , Saturno , Urano y Neptuno , por ejemplo, presentan magnetosferas intrínsecas. Una magnetosfera se clasifica como "inducida" cuandoRdoF≪RPAG{\displaystyle R_{\rm {CF}}\ll R_{\rm {P}}}o cuando el viento solar no se opone al campo magnético del objeto. En este caso, el viento solar interactúa con la atmósfera o la ionosfera del planeta (o la superficie del planeta, si el planeta no tiene atmósfera). Venus tiene un campo magnético inducido, lo que significa que, dado que Venus aparentemente no tiene un efecto de dinamo interno , el único campo magnético presente es el formado por el viento solar al envolver el obstáculo físico de Venus (véase también magnetosfera inducida de Venus ). CuandoRdoF≈RPAG${\displaystyle R_{\rm {CF}}\approx R_{\rm {P}}}$, tanto el planeta mismo como su campo magnético contribuyen. Es posible que Marte sea de este tipo. [ 6 ]

Asimetría amanecer-anochecer

Visto desde el Sol, el movimiento orbital de un cuerpo celeste puede comprimir ligeramente su magnetosfera, que de otro modo sería simétrica, y estirarla en la dirección opuesta a su movimiento (en el caso de la Tierra, de oeste a este). Esto se conoce como asimetría amanecer-anochecer . [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

Estructura

Representación artística de la estructura de una magnetosfera: 1)  Onda de choque frontal. 2)  Magnetofunda. 3)  Magnetopausa. 4)  Magnetosfera. 5)  Lóbulo de la cola norte. 6)  Lóbulo de la cola sur. 7)  Plasmasfera.

Choque de proa

Imagen infrarroja y concepto artístico del choque de proa alrededor de R Hydrae.

El choque de proa forma la capa más externa de la magnetosfera; el límite entre la magnetosfera y el medio circundante. Para las estrellas, este suele ser el límite entre el viento estelar y el medio interestelar ; para los planetas, la velocidad del viento solar disminuye allí a medida que se acerca a la magnetopausa. [ 10 ] Debido a las interacciones con el choque de proa, el plasma del viento estelar adquiere una anisotropía sustancial , lo que da lugar a diversas inestabilidades de plasma aguas arriba y aguas abajo del choque de proa. [ 11 ]

Magnetofunda

La magnetofunda es la región de la magnetosfera entre el choque de proa y la magnetopausa. Se forma principalmente a partir del viento solar impactado, aunque contiene una pequeña cantidad de plasma de la magnetosfera. [ 12 ] Es un área que presenta un alto flujo de energía de partículas , donde la dirección y magnitud del campo magnético varían erráticamente. Esto se debe a la acumulación de gas del viento solar que ha sufrido termalización . Actúa como un amortiguador que transmite la presión del flujo del viento solar y la barrera del campo magnético del objeto. [ 4 ]

Magnetopausa

La magnetopausa es la región de la magnetosfera donde la presión del campo magnético planetario se equilibra con la presión del viento solar. [ 3 ] Es la convergencia del viento solar impactado proveniente de la magnetofunda con el campo magnético del objeto y el plasma de la magnetosfera. Debido a que ambos lados de esta convergencia contienen plasma magnetizado, las interacciones entre ellos son complejas. La estructura de la magnetopausa depende del número de Mach y la relación beta del plasma, así como del campo magnético. [ 13 ] La magnetopausa cambia de tamaño y forma a medida que fluctúa la presión del viento solar. [ 14 ]

Cola magnética

Frente al campo magnético comprimido se encuentra la magnetocola, donde la magnetosfera se extiende mucho más allá del objeto astronómico. Contiene dos lóbulos, denominados lóbulo norte y lóbulo sur de la cola. Las líneas de campo magnético en el lóbulo norte apuntan hacia el objeto, mientras que las del lóbulo sur apuntan en dirección opuesta. Los lóbulos de la cola están casi vacíos, con pocas partículas cargadas que se opongan al flujo del viento solar. Los dos lóbulos están separados por una capa de plasma, un área donde el campo magnético es más débil y la densidad de partículas cargadas es mayor. [ 15 ]

magnetosfera terrestre

Representación artística de la magnetosfera terrestre.
Diagrama de la magnetosfera terrestre

Sobre el ecuador terrestre , las líneas del campo magnético se vuelven casi horizontales y luego vuelven a conectarse en latitudes altas. Sin embargo, a gran altitud, el campo magnético se distorsiona significativamente por el viento solar y su campo magnético solar. En el lado diurno de la Tierra, el campo magnético se comprime significativamente por el viento solar a una distancia de aproximadamente 65 000 kilómetros (40 000 millas ) . El choque de proa de la Tierra tiene unos 17 kilómetros (11 millas) de espesor [ 16 ] y se encuentra a unos 90 000 kilómetros (56 000 millas) de la Tierra. [ 17 ] La ​​magnetopausa diurna existe a una distancia de unos 30 000–60 000 kilómetros sobre la superficie terrestre. La magnetopausa de la Tierra se ha comparado con un tamiz porque permite el paso de partículas del viento solar. Las inestabilidades de Kelvin-Helmholtz ocurren cuando grandes remolinos de plasma viajan a lo largo del borde de la magnetosfera a diferentes velocidades de la magnetosfera, lo que provoca que el plasma se deslice más allá. Esto da como resultado la reconexión magnética , y a medida que las líneas del campo magnético se rompen y se reconectan, las partículas del viento solar pueden entrar en la magnetosfera. [ 18 ] En el lado nocturno de la Tierra, el campo magnético se extiende en la magnetocola, que a lo largo supera los 6.300.000 kilómetros (3.900.000 millas) . [ 3 ] La magnetocola de la Tierra es la fuente principal de la aurora polar . [ 15 ] Además, los científicos de la NASA han sugerido que la magnetocola de la Tierra podría causar "tormentas de polvo" en la Luna al crear una diferencia de potencial entre el lado diurno y el lado nocturno. [ 19 ] El centro de la capa de plasma de la cola, denominada capa neutra, es la región en la que las líneas del campo magnético de cada lóbulo pueden encontrarse. Por lo tanto, es un sitio importante de reconexión en la cola. Lejos de estar en reposo, se sabe que la capa de plasma exhibe movimientos de volumen que inclinan la capa neutra con respecto al plano de la eclíptica , produciendo oscilaciones denominadas movimientos de aleteo. [ 20 ] [ 21 ] Estos movimientos consisten en oscilaciones de la capa de plasma en dirección norte-sur. Una analogía con mangas de viento puede ser útil para visualizar estos movimientos de la capa de plasma.    

Otros objetos

Representación artística del campo magnético alrededor de Tau Boötis b detectado en 2020.

Muchos objetos astronómicos generan y mantienen magnetosferas. En el Sistema Solar, esto incluye el Sol, Mercurio , la Tierra , Júpiter , Saturno , Urano , Neptuno [ 22 ] y Ganímedes . La magnetosfera de Júpiter es la magnetosfera planetaria más grande del Sistema Solar, extendiéndose hasta 7.000.000 kilómetros (4.300.000 millas) en el lado diurno y casi hasta la órbita de Saturno en el lado nocturno. [ 23 ] La magnetosfera de Júpiter es más fuerte que la de la Tierra por un orden de magnitud , y su momento magnético es aproximadamente 18.000 veces mayor. [ 24 ] Venus , Marte y Plutón , por otro lado, no tienen un campo magnético intrínseco . Esto puede haber tenido efectos significativos en su historia geológica. Se hipotetiza que Venus y Marte pueden haber perdido su agua primordial por fotodisociación y el viento solar. Una magnetosfera fuerte, de estar presente, ralentizaría enormemente este proceso. [ 22 ] [ 25 ] 

Se cree que las magnetosferas generadas por exoplanetas son comunes, aunque los primeros descubrimientos no se produjeron hasta la década de 2010. En 2014, se infirió un campo magnético alrededor de HD 209458 b a partir de la forma en que el hidrógeno se evaporaba del planeta. [ 27 ] [ 28 ] En 2019, se estimó la fuerza de los campos magnéticos superficiales de 4 Júpiter calientes y varió entre 20 y 120 gauss en comparación con el campo magnético superficial de Júpiter de 4,3 gauss. [ 29 ] [ 30 ] En 2020, se detectó una emisión de radio en la banda de 14-30  MHz del sistema Tau Boötis , probablemente asociada con la radiación ciclotrónica de los polos de Tau Boötis b que podría ser una señal de un campo magnético planetario. [ 31 ] [ 32 ] En 2021, un campo magnético generado por el Neptuno caliente HAT-P-11b se convirtió en el primero en ser confirmado. [ 33 ] La primera detección no confirmada de un campo magnético generado por un exoplaneta terrestre se encontró en 2023 en YZ Ceti b . [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]

Véase también

Referencias

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  2. ↑ Ratcliffe, John Ashworth (1972). Introducción a la ionosfera y la magnetosfera . Archivo CUP . ISBN 9780521083416.
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