Magnetosfera

En astronomía y ciencias planetarias, 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. Es creado por un cuerpo celeste con una dínamo interior activa.

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. 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 materias científicas especializadas de física del plasma, física espacial y aeronomía.

Historia

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 la 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 de esta actividad. Esta misión observó la existencia del cinturón de radiación de Van Allen (ubicado en la región interna de la magnetosfera de la Tierra), y el seguimiento Explorer 3 más tarde ese año demostró definitivamente su existencia. También durante 1958, Eugene Parker propuso la idea del viento solar, con el término 'magnetosfera' siendo propuesto por Thomas Gold en 1959 para explicar cómo el viento solar interactuaba 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 fuerza 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.

Estructura y comportamiento

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 de el dipolo magnético, y la magnitud y dirección del flujo del viento solar.

La distancia planetaria donde la magnetosfera puede soportar la presión del viento solar se llama la distancia Chapman-Ferraro. Esto es útil modelado por la fórmula donde RP{displaystyle R_{P} representa el radio del planeta, Bsurf{displaystyle B_{it {surf}} representa el campo magnético en la superficie del planeta en el Ecuador, y VSW{displaystyle V_{SW} representa la velocidad del viento solar:

RCF=RP()Bsurf2μ μ 0*** *** VSW2)16{displaystyle R_{CF}=R_{P}left({frac {B_{it {f}{2}{mu _{0}rho Bien. {1}{6}}

Una magnetosfera se clasifica como "intrínseca" cuando RCF≫ ≫ RP{displaystyle R_{CF}gg R_{P}, o cuando la oposición primaria al flujo del viento solar es el campo magnético del objeto. Mercurio, Tierra, Júpiter, Ganymede, Saturno, Urano y Neptuno, por ejemplo, exhiben magnetosferas intrínsecas. Una magnetosfera se clasifica como "inducida" cuando RCF≪ ≪ RP{displaystyle R_{CF}ll R_{P}, o cuando el viento solar no se opone por el 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 debido a que Venus parece no tener efecto dinamo interno, el único campo magnético presente es el que está formado por el envolvimiento del viento solar alrededor del obstáculo físico de Venus (ver también la magnetosfera inducida por Venus). Cuando RCF.. RP{displaystyle R_{CF}approx R_{P}, el planeta mismo y su campo magnético contribuyen ambos. Es posible que Marte sea de este tipo.

Estructura

La representación de un artista de la estructura de una magnetosfera: 1) choque de arco. 2) Magnetosheath. 3) Magnetopause. 4) La magnetosfera. 5) Lobo de cola del norte. 6) Lóbulo de cola del sur. 7) Plasmasphere.

Arco de choque

Imagen infrarroja y concepto de artista del choque de arco 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 allí disminuye a medida que se acerca a la magnetopausa.

Cubierta magnética

La magnetoenvoltura es la región de la magnetosfera entre el arco de choque y la magnetopausa. Se forma principalmente a partir del viento solar impactado, aunque contiene una pequeña cantidad de plasma de la magnetosfera. Es un área que exhibe un alto flujo de energía de partículas, donde la dirección y magnitud del campo magnético varía de manera errática. Esto es causado por la recolección de gas de viento solar que efectivamente se ha termalizado. Actúa como un colchón que transmite la presión del flujo del viento solar y la barrera del campo magnético del objeto.

Magnetopausia

La magnetopausa es el área de la magnetosfera donde la presión del campo magnético planetario se equilibra con la presión del viento solar. Es la convergencia del viento solar impactado desde la magnetovaina 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. La magnetopausa cambia de tamaño y forma a medida que fluctúa la presión del viento solar.

Cola magnética

Opuesto al campo magnético comprimido se encuentra 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 de campo magnético en el lóbulo norte de la cola apuntan hacia el objeto, mientras que las del lóbulo sur de la cola apuntan hacia el otro lado. 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 hoja de plasma, un área donde el campo magnético es más débil y la densidad de partículas cargadas es mayor.

La magnetosfera de la Tierra

La entrega del artista 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 y luego vuelven a conectarse en latitudes altas. Sin embargo, a gran altura, el campo magnético se distorsiona significativamente por el viento solar y su campo magnético solar. En el lado diurno de la Tierra, el viento solar comprime significativamente el campo magnético a una distancia de aproximadamente 65 000 kilómetros (40 000 mi). El arco de choque de la Tierra tiene un grosor de unos 17 kilómetros (11 millas) y se encuentra a unos 90 000 kilómetros (56 000 millas) de la Tierra. 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 la entrada 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 una velocidad diferente a la 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. En el lado nocturno de la Tierra, el campo magnético se extiende en la cola magnética, que supera los 6.300.000 kilómetros (3.900.000 mi) de longitud. La cola magnética de la Tierra es la fuente principal de la aurora polar. Además, los científicos de la NASA han sugerido que la cola magnética de la Tierra podría causar 'tormentas de polvo'. en la Luna creando una diferencia de potencial entre el lado diurno y el lado nocturno.

Otros objetos

Muchos objetos astronómicos generan y mantienen magnetosferas. En el Sistema Solar esto incluye al Sol, Mercurio, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y Ganímedes. La magnetosfera de Júpiter es la magnetosfera planetaria más grande del Sistema Solar y se extiende hasta 7 000 000 kilómetros (4 300 000 mi) en el lado diurno y casi hasta la órbita de Saturno en el lado nocturno. 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. 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 por fotodisociación y el viento solar. Una magnetosfera fuerte ralentiza enormemente este proceso. La magnetosfera de un exoplaneta fue detectada en 2021.