Magnetosfera


En astronomía y ciencia planetaria , una magnetosfera es una región del espacio que rodea un objeto astronómico en la que las partículas cargadas se ven afectadas por el campo magnético de ese objeto . [1] [2] Es creado por una estrella o planeta con una dínamo interior activa .

Una representación de las líneas del campo magnético de la magnetosfera de la Tierra.

En el entorno espacial cercano a un cuerpo planetario, el campo magnético se asemeja a un dipolo magnético . Más lejos, las líneas de campo pueden distorsionarse significativamente por el flujo de plasma conductor de electricidad , 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 , lo que también protege a todos los organismos vivos de consecuencias potencialmente perjudiciales y peligrosas. Esto se estudia en las asignaturas científicas especializadas de física del plasma ,física espacial y aeronomía .

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

A partir de finales de la década de 1940, se utilizaron cohetes para estudiar los rayos cósmicos . En 1958, se lanzó Explorer 1 , la primera de la serie de misiones espaciales Explorer, para estudiar la intensidad de los rayos cósmicos sobre la atmósfera y medir las fluctuaciones en esta actividad. Esta misión observó la existencia del cinturón de radiación de Van Allen (ubicado en la región interior de la magnetosfera de la Tierra), y el Explorer 3 de seguimiento más tarde ese año demostró definitivamente su existencia. También durante 1958, Eugene Parker propuso la idea del viento solar , con el término 'magnetosfera' propuesto por Thomas Gold en 1959 para explicar cómo interactuaba el viento solar con el campo magnético de la Tierra. La misión posterior del Explorer 12 en 1961 dirigida por la observación de Cahill y Amazeen en 1963 de una disminución repentina en la intensidad del campo magnético cerca del meridiano del mediodía, más tarde se denominó magnetopausa . En 1983, el International Cometary Explorer observó la cola magnética o el campo magnético distante. [4]

Las magnetosferas dependen de varias variables: el tipo de objeto astronómico, la naturaleza de las fuentes de plasma y el momento, el período de giro del objeto, la naturaleza del eje sobre el que gira el objeto, el eje del dipolo magnético y la magnitud. y dirección del flujo del viento solar .

La distancia planetaria donde la magnetosfera puede resistir la presión del viento solar se llama distancia Chapman-Ferraro. Esto se modela de manera útil mediante la fórmula en la que representa el radio del planeta, representa el campo magnético en la superficie del planeta en el ecuador, y representa la velocidad del viento solar:

Una magnetosfera se clasifica como "intrínseca" cuando , o cuando la principal oposición al flujo del viento solar es el campo magnético del objeto. Mercurio , Tierra, Júpiter , Ganímedes , Saturno , Urano y Neptuno , por ejemplo, exhiben magnetosferas intrínsecas. Una magnetosfera se clasifica como "inducida" cuando, o cuando el viento solar no se opone al campo magnético del objeto. En este caso, el viento solar interactúa con la atmósfera o ionosfera del planeta (o la superficie del planeta, si el planeta no tiene atmósfera). Venus tiene un campo magnético inducido, lo que significa que debido a que Venus parece no tener un efecto de dínamo interno , el único campo magnético presente es el formado por la envoltura del viento solar alrededor del obstáculo físico de Venus (ver también Magnetosfera inducida de Venus ). Cuándo, tanto el planeta como su campo magnético contribuyen. Es posible que Marte sea ​​de este tipo. [5]

Representación de un artista de la estructura de una magnetosfera: 1) Choque de arco. 2) Magnetosheath. 3) Magnetopausia. 4) Magnetosfera. 5) Lóbulo de la cola norte. 6) Lóbulo sur de la cola. 7) Plasmasfera.

Arco de choque

Imagen infrarroja y concepto del artista del arco de choque alrededor de R Hydrae

El arco de choque forma la capa más externa de la magnetosfera; el límite entre la magnetosfera y el medio ambiente. 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 a medida que se acerca a la magnetopausa. [6]

Magnetosheath

La magnetosfera es la región de la magnetosfera entre el arco de choque y la magnetopausa. Se forma principalmente a partir del viento solar sacudido, aunque contiene una pequeña cantidad de plasma de la magnetosfera. [7] Es un área que exhibe un alto flujo de energía de partículas , donde la dirección y magnitud del campo magnético varía erráticamente. Esto es causado por la recolección de gas del viento solar que efectivamente ha sufrido una termalización . Actúa como un cojín que transmite la presión del flujo del viento solar y la barrera del campo magnético del objeto. [4]

Magnetopausia

La magnetopausa es el área de la magnetosfera en la que la presión del campo magnético planetario se equilibra con la presión del viento solar. [3] Es la convergencia del viento solar impactado de la magnetosfera 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 beta del plasma, así como del campo magnético. [8] La magnetopausa cambia de tamaño y forma a medida que fluctúa la presión del viento solar. [9]

Magnetotail

Frente al campo magnético comprimido está la cola magnética, donde la magnetosfera se extiende mucho más allá del objeto astronómico. Contiene dos lóbulos, denominados lóbulos de la cola norte y sur. Las líneas del campo magnético en el lóbulo de la cola del norte apuntan hacia el objeto, mientras que las del lóbulo de la cola del sur apuntan en dirección opuesta. Los lóbulos de la cola están casi vacíos, con pocas partículas cargadas que se oponen al flujo del viento solar. Los dos lóbulos están separados por una lámina de plasma, un área donde el campo magnético es más débil y la densidad de partículas cargadas es mayor. [10]

Magnetosfera de la Tierra

Interpretación artística de la magnetosfera de la Tierra
Diagrama de la magnetosfera de la Tierra

Sobre el ecuador de la Tierra , las líneas del campo magnético se vuelven casi horizontales, luego regresan para reconectarse en latitudes altas. Sin embargo, a grandes altitudes, 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 es comprimido significativamente por el viento solar a una distancia de aproximadamente 65.000 kilómetros (40.000 millas). El arco de choque de la Tierra tiene unos 17 kilómetros (11 millas) de espesor [11] y se encuentra a unos 90.000 kilómetros (56.000 millas) de la Tierra. [12] La magnetopausa existe a una distancia de varios cientos de kilómetros sobre la superficie de la Tierra. La magnetopausa de la Tierra se ha comparado con un tamiz porque permite que entren partículas de viento solar. Las inestabilidades de Kelvin-Helmholtz ocurren cuando grandes remolinos de plasma viajan a lo largo del borde de la magnetosfera a una velocidad diferente de la magnetosfera, lo que hace que el plasma se deslice. Esto da como resultado una reconexión magnética y, a medida que las líneas del campo magnético se rompen y se vuelven a conectar, las partículas del viento solar pueden ingresar a la magnetosfera. [13] En el lado nocturno de la Tierra, el campo magnético se extiende en la cola magnética, que a lo largo supera los 6.300.000 kilómetros (3.900.000 millas). [3] La cola magnética de la Tierra es la fuente principal de la aurora polar . [10] Además, los científicos de la NASA han sugerido que la cola magnética 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. [14]

Otros objetos

Muchos objetos astronómicos generan y mantienen magnetosferas. En el Sistema Solar, esto incluye al Sol, Mercurio , Júpiter , Saturno , Urano , Neptuno , [15] y Ganímedes . La magnetosfera de Júpiter es la magnetosfera planetaria más grande del Sistema Solar, que se extiende hasta 7.000.000 kilómetros (4.300.000 millas) en el lado diurno y casi hasta la órbita de Saturno en el lado nocturno. [16] La magnetosfera de Júpiter es más fuerte que la de la Tierra en un orden de magnitud , y su momento magnético es aproximadamente 18.000 veces mayor. [17] Venus , Marte y Plutón , por otro lado, no tienen campo magnético. Esto puede haber tenido efectos significativos en su historia geológica. Se teoriza que Venus y Marte pueden haber perdido su agua primordial debido a la fotodisociación y al viento solar. Una magnetosfera fuerte ralentiza enormemente este proceso. [15] [18]

  • Geoespacio
  • Plasma (física)

  1. ^ "Magnetósferas" . Ciencia de la NASA . NASA.
  2. ^ Ratcliffe, John Ashworth (1972). Introducción a la ionosfera y la magnetosfera . Archivo CUP . ISBN 9780521083416.
  3. ^ a b c "Ionosfera y magnetosfera" . Encyclopædia Britannica . Encyclopædia Britannica, Inc. 2012.
  4. ^ a b c Van Allen, James Alfred (2004). Orígenes de la física magnetosférica . Iowa City, Iowa Estados Unidos: University of Iowa Press . ISBN 9780877459217. OCLC  646887856 .
  5. ^ Blanc, M .; Kallenbach, R .; Erkaev, NV (2005). "Magnetósferas del Sistema Solar". Reseñas de ciencia espacial . 116 (1–2): 227–298. Código bibliográfico : 2005SSRv..116..227B . doi : 10.1007 / s11214-005-1958-y . S2CID  122318569 .
  6. ^ Sparavigna, AC; Marazzato, R. (10 de mayo de 2010). "Observando los choques del arco estelar". arXiv : 1005.1527 . Código bibliográfico : 2010arXiv1005.1527S . Cite journal requiere |journal=( ayuda )
  7. ^ Paschmann, G .; Schwartz, SJ; Escoubet, CP; Haaland, S., eds. (2005). Límites de la Magnetosfera Exterior: Resultados del Cluster (PDF) . Reseñas de ciencia espacial . Serie de Ciencias Espaciales del ISSI. 118 . doi : 10.1007 / 1-4020-4582-4 . ISBN 978-1-4020-3488-6.
  8. ^ Russell, CT (1990). "La Magnetopausa". En Russell, CT; Sacerdote, ER; Lee, LC (eds.). Física de las cuerdas de flujo magnético . Unión Geofísica Americana. págs. 439–453. ISBN 9780875900261. Archivado desde el original el 2 de febrero de 1999.
  9. ^ Stern, David P .; Peredo, Mauricio (20 de noviembre de 2003). "La Magnetopausa" . La Exploración de la Magnetosfera de la Tierra . NASA . Consultado el 19 de agosto de 2019 .
  10. ^ a b "La cola de la magnetosfera" . NASA.
  11. ^ "Cluster revela que el arco de choque de la Tierra es notablemente delgado" . Agencia Espacial Europea . 16 de noviembre de 2011.
  12. ^ "Cluster revela la reforma del arco de choque de la Tierra" . Agencia Espacial Europea . 11 de mayo de 2011.
  13. ^ "Cluster observa una magnetopausa 'porosa'" . Agencia Espacial Europea . 24 de octubre de 2012.
  14. ^ http://www.nasa.gov/topics/moonmars/features/magnetotail_080416.html NASA, The Moon and the Magnetotail
  15. ^ a b "Escudos planetarios: magnetosferas" . NASA . Consultado el 5 de enero de 2020 .
  16. ^ Khurana, KK; Kivelson, MG; et al. (2004). "La configuración de la magnetosfera de Júpiter" (PDF) . En Bagenal, F .; Dowling, TE; McKinnon, WB (eds.). Júpiter: el planeta, los satélites y la magnetosfera . Prensa de la Universidad de Cambridge . ISBN 978-0-521-81808-7.
  17. ^ Russell, CT (1993). "Magnetósferas planetarias". Informes sobre avances en física . 56 (6): 687–732. Código Bibliográfico : 1993RPPh ... 56..687R . doi : 10.1088 / 0034-4885 / 56/6/001 .
  18. ^ NASA (14 de septiembre de 2016). "La detección de rayos X arroja nueva luz sobre Plutón" . nasa.gov . Consultado el 3 de diciembre de 2016 .