IV. MAGNETOSFERAS
CONFORME nos alejamos de la Tierra y abandonamos lo que se conoce
propiamente como la atmósfera, entramos de lleno en el dominio del plasma. Nuestro
planeta y todos los demás planetas del Sistema Solar que poseen un intenso campo
magnético de origen interno están rodeados por envolturas magnéticas estructuradas
donde el plasma se organiza de diversas maneras. Estas envolturas se llaman
magnetosferas y todas ellas ya han sido exploradas con mayor o menor
detalle con los satélites y sondas espaciales. En octubre de 1957, cuando se
colocó por primera vez en órbita un satélite artificial, el Sputnik,
se inició la física de plasmas espacial moderna. Satélites como éste son capaces
de dar la vuelta a la Tierra en aproximadamente una hora y media y muchos de
ellos transportan equipo para medir la temperatura, la presión, la intensidad
de campo magnético y muchas otras características de los plasmas en el espacio.
En las décadas posteriores, vehículos como éstos han sido sacados de la atracción
gravitacional de la Tierra y enviados a explorar el espacio y los entornos de
otros cuerpos del Sistema Solar. De los nueve planetas de la corte del Sol,
ocho han sido ya visitados por sondas espaciales y se ha encontrado que seis
de ellos tienen magnetosferas y que dos, Venus y Marte, no tienen. Las naves
espaciales nos han dado a conocer una impresionante variedad de mangnetosferas
planetarias que no se ajustan a un solo modelo. En este capítulo las describiremos
brevemente.
Debido a su cercanía , la magnetosfera de la tierra es la que más se ha explorado y, por lo tanto, la que conocemos y entendemos mejor. A finales de la década de 1960 los datos de los satélites que orbitan la Tierra ya habían proporcionado una imagen bastante completa, aunque burda, de nuestra envoltura magnética y de plasma hasta sus límites cercanos. La imagen a la que condujeron las medidas detalladas de estos satélites difería enormemente de lo que se había supuesto unos años antes. En particular; la presencia de flujos de partículas cargadas o corrientes eléctricas desde una región de plasma hacia otra, así como la de campos eléctricos que aceleran partículas hasta muy altas energías, revelaron una capa envolvente de plasma de la Tierra muy dinámica y frecuentemente turbulenta. El medio que rodea a la Tierra en el espacio, como lo conocemos ahora, es notablemente diferente de lo que se esperaba antes de las observaciones in situ. Esto se debe a que los procesos que ahí tienen lugar son procesos de física de plasmas que en su mayoría eran totalmente desconocidos.
Aunque la idea básica de una magnetosfera fue establecida hace mucho por Birkeland,
en 1896, y descrita después por Hoyle en 1956, no fue sino hasta que se utilizaron
vehículos espaciales para explorarla que se aceptó ampliamente su existencia
por la comunidad científica. La magnetosfera de la Tierra (y todas las demás
magnetosferas) existe porque el Sol emite continuamente plasma a gran velocidad
y en todas direcciones. Este plasma, que tiene una conductividad eléctrica muy
alta, pues está totalmente ionizado y es muy diluido, no acepta la penetración
de un campo magnético externo (propiedad bien conocida de los buenos conductores
eléctricos). En estas circunstancias, el campo magnético de la Tierra es barrido
del medio interplanetario y comprimido hacia nuestro planeta por el lado que
da al Sol, el lado día. En el lado opuesto, el lado noche, las
líneas de campo se estiran alejándose del Sol, formando una cola como la de
los cometas (figura 11).
Figura 11. La magnetosfera de la Tierra está formada por el flujo del plasma solar que encierra al campo magnético terrestre en una cápsula. En ella se encuentran diferentes regiones de plasma y estructuras de campo magnético.
Este efecto de deformación es el resultado de la interacción del frente de flujo del plasma solar con el campo magnético que encuentra a su paso, el cual genera corrientes en el plasma que inducen la aparición de nuevos campos magnéticos. Estos campos magnéticos inducidos tienden a cancelar el campo en el interior del plasma y a incrementarlo afuera. El plasma podrá seguir fluyendo, barriendo y comprimiendo el campo magnético a su paso hasta que la presión que el flujo ejerce sobre el campo iguale la presión que el campo comprimido ejerce sobre el flujo. En ese punto (que de hecho serán muchos puntos que formarán una superficie) el plasma esquivará y rodeará al "obstáculo" magnético, confiándolo a una cavidad en la que el plasma solar ya no penetra. Esta superficie constituye lo que se llama la magnetopausa, porque más allá de ella ya no se encuentra el campo magnético del planeta.
Cerca de la Tierra, el campo geomagnético es muy similar al de una barra de
imán, que es lo que se conoce como el campo de un dipolo (figura 7).
Antes del año geofísico internacional (IGY) en 1957-1958, se creía
que el campo dipolar de la Tierra continuaría extendiéndose hacia afuera en
el espacio sin cambiar su forma y que su intensidad disminuiría al alejarse.
Pero a partir de las intensas observaciones con cohetes y satélites durante
el IGY se descubrió que conforme se asciende, el campo magnético
gradualmente empieza a parecerse menos al de un dipolo y que del lado día el
campo geomagnético de repente empieza a ser más intenso y se acaba bruscamente
a una distancia de unos 10 radios terrestres (1 RT = 6 400 km). Esa
cavidad en el espacio en donde se encuentra confinado nuestro campo magnético
es lo que se conoce como nuestra magnetosfera y en poco tiempo se obtuvo una
imagen global de ella. Así pues, la magnetosfera existe porque la Tierra no
está rodeada por un vacío, como era la imagen simplista previa a la era espacial,
sino que se encuentra inmersa en un plasma que fluye muy rápidamente.
Un detalle interesante es que el plasma solar que fluye es tan rápido que su velocidad supera la velocidad de las ondas que se transmiten en él. Cuando este plasma encuentra un obstáculo en su camino, como el campo magnético de la Tierra, se generan ondas que tratan de propagarse en todas direcciones. Pero como el flujo viaja más rápidamente que las ondas, las que quisieran regresarse al Sol no pueden hacerlo pues son transportadas hacia adelante por el fluido mismo. En estas condiciones se genera una onda de choque a cierta distancia de la magnetopausa, que en el caso de la Tierra es aproximadamente de 4RT en la dirección hacia el Sol (figura 11). El plasma solar que fluye antes de la onda de choque no está perturbado en absoluto por la presencia del obstáculo, pero el flujo de plasma posterior a esta onda ya es muy diferente: se vuelve turbulento y más desorganizado (más caliente) y el campo magnético que ha transportado desde el Sol se vuelve muy irregular. El plasma solar ya alterado por el cruce con la onda de choque forma una capa alrededor de la magnetosfera que se conoce como magnetofunda, la cual también se ilustra en la figura 11.
El interior de la magnetosfera también se encuentra parcelado; tiene una estructura celular en la que se distinguen grandes regiones diferenciadas donde el plasma se estructura de manera particular y que responden como un solo ente en relación con los demás. Así tenemos a la plasmosfera y en el interior de ella a los cinturones de Van Allen y una hoja de plasma u hoja neutra que separa en dos partes a la cola magnetosférica; en una de estas regiones las líneas de campo magnético se dirigen hacia la Tierra, mientras que en la otra se alejan de ella. Según las observaciones con vehículos espaciales, la cola magnetosférica de la Tierra se extiende a más de 1 000 y posiblemente 2 000 RT. Ahora ya sabemos que esta estructura celular es una característica ubicua en todos los plasmas cósmicos en sistemas estelares y galácticos y en las envolturas de los planetas y de los cometas.
La magnetosfera se considera como la región del espacio que rodea a la Tierra en donde los procesos físicos que ocurren están dominados por el campo geomagnético, esto es, donde el material atmosférico ya está en estado de plasma y su densidad es tan baja que las colisiones entre las partículas no desempeñan ningún papel importante. Esto ocurre aproximadamente entre 1 000 y 2 000 kilómetros de altura, donde se considera que termina la ionosfera. Aunque la frontera inferior de la magnetosfera no es muy precisa, su significado físico es bastante claro.
Toda la magnetosfera se encuentra llena de plasma, principalmente de origen ionosférico, aunque en ocasiones se cuela en ciertas regiones de ella el plasma de origen solar. En el interior de la magnetosfera el campo magnético está bastante ordenado y se pueden distinguir líneas de campo magnético que tienen sus dos pies en la Tierra, a las que se les llama líneas cerradas y otras que sólo tienen un pie y que se denominan líneas abiertas. Formalmente todas las líneas de campo magnético deben ser (y son) cerradas, pero en el caso de las líneas abiertas la conexión es a través de líneas de campo del medio interplanetario. Sobre la superficie de la Tierra las líneas abiertas se encuentran sólo a altas latitudes, pero se pueden encontrar líneas abiertas a cualquier latitud con sólo irse suficientemente lejos.
En el interior de la magnetosfera se destaca la plasmosfera que es la porción del plasma magnetosférico que rota con la Tierra. Esta región se extiende hasta una distancia entre 3 y 6 RT de altura, dependiendo del estado de perturbación de la magnetosfera, el cual a su vez depende del estado de perturbación del Sol. Fuera de esta región, la densidad de electrones y iones decrece muy rápidamente y sus patrones de circulación ya no tienen que ver con la rotación terrestre. Aunque su nombre lo sugiere, su forma no es esférica y no sólo está limitada en distancia sino también en latitud, extendiéndose sólo hasta las latitudes de las últimas líneas que son cerradas a todas horas, esto es, tanto del lado día como del lado noche, donde el campo magnético es bastante semejante a un campo dipolar. A latitudes magnéticas más altas, cerca de los polos, las líneas de campo se encuentran estiradas hacia la cola y por ellas fluye el plasma que escapa de la ionosfera y que sigue estas líneas hasta las profundidades de la cola magnetosférica, detrás de la Tierra. A este movimiento de salida del plasma de altas latitudes se le llama viento polar (figura 11).
La plasmosfera tampoco es una región uniforme. En su interior existen dos zonas en forma de dona en donde se encuentra una población bastante densa de partículas (protones y electrones) atrapada en las líneas cerradas del campo geomagnético. A estas dos zonas se les denomina cinturones de radiación o cinturones de Van Allen, en honor a su descubridor. En 1958, al analizar la información enviada por los detectores de partículas a bordo del satélite artificial Explorer 1, el físico estadunidense James Alfred van Allen descubrió estas zonas de intensa radiación corpuscular (partículas) que no se pueden observar a simple vista. Un corte meridional de estos cinturones se muestra en la figura 11, donde se observa que debido a la estructura del campo magnético son más anchos en el ecuador y no cubren los polos.
A diferencia de las partículas de plasma que componen la plasmosfera y que
tienen energías muy bajas, los protones y electrones atrapados en los cinturones
son de muy alta energía, miles y hasta millones de veces más alta que la del
plasma. Estas partículas se encuentran girando muy rápidamente alrededor de
las líneas del campo, al mismo tiempo que suben y bajan a lo largo de ellas,
rebotando en un punto en el norte y otro en el sur llamados puntos espejo.
Además dan vuelta alrededor de la Tierra, los protones hacia el oeste y los
electrones hacia el este. En la figura 12 se muestra esquemáticamente los tres
tipos de movimientos de las partículas atrapadas en los cinturones de Van Allen.
El tiempo que les toma a estas partículas dar un giro alrededor de la línea
de campo es del orden de millonésimas de segundo, mientras que el tiempo que
utilizan para ir y venir entre dos puntos espejo es de un segundo. Dar una vuelta
completa a la Tierra les lleva algunas decenas de minutos.
Figura 12. Diagrama esquemático que muestra los tres movimientos de las
partículas en los cinturones de Van Allen: un movimiento de giro alrededor de
la línea de campo; un movimiento de vaivén entre dos puntos de reflexión (puntos
espejo) sobre la línea y un movimiento que deriva alrededor de la tierra.
La existencia de puntos espejo surge de la naturaleza dipolar del campo magnético, cuya intensidad aumenta hacia los polos. Cuando las partículas cargadas se van moviendo alrededor de una línea hacia regiones de campos más intensos van a encontrar un punto de alcance máximo, más allá del cual ya no pueden penetrar. Como esto ocurre si se dirigen hacia el polo norte o al polo sur, las partículas quedan atrapadas entre dos puntos de reflexión. Estos dos puntos no son los mismos para todas las partículas, pues dependen de la manera como éstas fueron inyectadas en esas regiones. En el laboratorio se ha intentado confinar plasmas en botellas magnéticas. Sin embargo, estos confinamientos "artificiales" de plasmas hasta ahora no han resultado eficientes.
El cinturón interior está centrado en una línea que cruza el ecuador a 0.5 RT de altura y está poblado principalmente por protones. El cinturón exterior, que llega hasta la plasmopausa, o sea el límite de la plasmosfera (3 RT de altura), está poblado sobre todo por electrones. Parece haber dos fuentes principales de inyección de partículas en estas regiones. Una de ellas son los neutrones que provienen de la atmósfera y que, como son partículas inestables, en unos minutos se transforman en un par electrón-protón. Estos últimos, al ser partículas cargadas, quedarán atrapados por el campo magnético terrestre ahí donde las líneas son cerradas. Los neutrones provenientes de la atmósfera se producen en forma natural por la interacción de los rayos cósmicos (que son partículas de muy alta energía que llegan a la Tierra desde el espacio exterior) con los núcleos de los átomos de la atmósfera. Algunos de estos neutrones se precipitan hacia la Tierra, pero otros son enviados de regreso hacia el espacio. En forma artificial se produjeron grandes cantidades de neutrones y de partículas cargadas entre 1950 y 1970 como resultado de las explosiones nucleares a gran altura que realizaron Estados Unidos y la Unión Soviética. Estas partículas pasaron a formar parte de la población de los cinturones de Van Allen, algunas transitoriamente, otras permanecen ahí.
La segunda fuente importante de partículas de los cinturones de Van Allen parece ser la cola magnetosférica, donde aparentemente son aceleradas partículas de baja energía, posiblemente del plasma solar, y luego son lanzadas hacia la Tierra. Parte de estas partículas quedan atrapadas en los cinturones de radiación y otras caen sobre la ionosfera en las regiones aurorales y producen las auroras.
Los movimientos de los protones y electrones alrededor de la Tierra constituyen una corriente eléctrica, la corriente anular. Por convención, las corrientes fluyen en la dirección en que se mueven las partículas positivas y por lo tanto la corriente anular fluye hacia el oeste. Esta corriente produce un pequeño campo magnético que se puede medir sobre la superficie de la Tierra y que apunta hacia el sur; de manera que disminuye un poco el campo magnético en la superficie. Llevando un registro de los pequeños cambios repentinos en el campo global es posible detectar aumentos o disminuciones del número de partículas en los cinturones de Van Allen.
Para finalizar simplemente mencionaremos que las regiones de plasmas que constituyen la magnetosfera sufren repetidas alteraciones provocadas por la actividad del Sol, el cual altera periodos de calma y de actividad. La última se manifiesta en forma de explosiones de luz (ráfagas), estallidos de protuberancias, lanzamiento de plasma más rápido, etc., y repercute en el plasma que fluye en el medio interplanetario y que posteriormente interactúa con la magnetosfera. Las alteraciones globales más intensas de la magnetosfera son las tormentas geomagnéticas y un buen número de manifestaciones diversas, incluyendo las auroras, evidencian la fuerte interacción en los distintos entornos de plasma que rodean a la Tierra.
OTRAS MAGNETOSFERAS EN EL SISTEMA SOLAR
Todos los planetas del Sistema Solar que tengan un campo intrínseco suficientemente intenso como para no ser completamente barrido por el flujo solar; tendrán una magnetosfera. Esto es, cada uno de estos campos se concentrará alrededor de su planeta de origen formando una estructura semejante a la del entorno magnético de la Tierra. Como el tamaño de estas magnetosferas depende de la intensidad del campo interno del planeta, Mercurio posee una magnetosfera pequeña (su campo interno es sólo un centésimo del de la Tierra) y Júpiter tiene la magnetosfera más grande de todo el Sistema Solar (su campo interno es diez veces el de la Tierra). Venus no tiene campo magnético y por lo tanto no tiene magnetosfera y el campo de Marte es tan débil que sólo ocasionalmente (ante el impacto de un plasma solar lento) forma una pequeña magnetosfera alrededor del planeta. Los planetas gigantes tienen magnetosferas grandes y muy interesantes y en el caso de Plutón, aunque no se ha explorado directamente, no se cree que la tenga. Cada una de estas magnetosferas merecería una amplia descripción, pero aquí nos limitaremos únicamente a dar unos cuantos detalles.
Mercurio. La magnetosfera de Mercurio se extiende del lado día a una distancia de apenas un radio del planeta, el cual es un poco mayor que la luna. Como Mercurio carece de atmósfera no tiene una ionosfera que forme un sistema de corrientes eléctricas con la magnetosfera, como en el caso de la tierra y entonces se generan diferencias de potencial eléctrico muy altas, del orden de millones de volts. Esto conduce en ocasiones a violentas descargas eléctricas que cruzan la magnetosfera mercuriana. Poco sabemos aún de los detalles de esta magnetosfera y no existen planes a corto plazo para su mayor exploración.
Venus y Marte. Aunque Venus y Marte no tienen propiamente una magnetosfera porque carecen de un campo magnético interno importante, están envueltos en el campo magnético que transporta el plasma proveniente del Sol. Han sido extensamente explorados por vehículos espaciales estadounidenses y soviéticos y se ha observado en sus inmediaciones cuerdas de plasma atado a estas líneas magnéticas, lo cual les proporciona también un entorno magnético y de plasma particular. En el futuro cercano posiblemente sabremos más de estos planetas y de sus capas envolventes de plasma, pues el satélite Magallanes ya se encuentra orbitando Venus y se planea una nueva misión a Marte.
Las magnetosferas de los planetas jovianos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) fueron exploradas por las sondas espaciales Viajero 1 y 2 que fueron lanzadas en 1977; llegaron a Júpiter en 1979 y en la década de los años ochenta a los demás planetas. Estas exploraciones, aunadas a observaciones de las emisiones de radio de estos planetas desde Tierra y a bordo de satélites, han proporcionado imágenes más o menos generales, aunque aún poco detalladas, de las magnetosferas de estos cuerpos. En términos generales son semejantes a la de la Tierra: presentan una nariz comprimida por el flujo del viento solar y una enorme cola magnetosférica que se extiende del lado noche del planeta. Enfrente de cada una de ellas se encuentra una onda de choque y están también rodeadas por una magnetofunda. En su interior, el plasma se organiza en diversas regiones con características diferentes y fluye de manera más o menos ordenada entre algunas de ellas. Pero ya en detalle, cada magnetosfera es un ente realmente único.
Júpiter. La magnetosfera de Júpiter es la más grande, la más dinámica y en la que se dan procesos que implican la mayor energía en las magnetosferas del Sistema Solar. El diámetro de su enorme cola es de aproximadamente 3 000 radios terrestres y si la magnetosfera joviana fuera visible, vista desde la Tierra ocuparía una región de más de cuatro veces la Luna llena. Esta magnetosfera se extiende en la dirección del Sol hasta unos 100 radios de Júpiter y su cola mide al menos 10 000 RJ. Para tener una idea del enorme tamaño de Júpiter baste decir que toda la magnetosfera de la Tierra cabría en el interior del planeta; para imaginarnos la enormidad de su magnetosfera es interesante destacar que al Viajero 2, que tenía una velocidad media de 35 000 kilómetros por hora, le tomó 35 días cruzar sólo una porción de esta magnetosfera.
Júpiter también está rodeado por cinturones de partículas energéticas atrapadas en su campo magnético, las cuales emiten señales de radio notablemente intensas; después del Sol, la magnetosfera de Júpiter es la fuente de emisiones de radio más brillante del cielo. Esta magnetosfera es también un poderoso acelerador de partículas, algunas de las cuales llegan a tener tanta energía que escapan de ella y se registran en el medio interplanetario y también en la Tierra. Como era de esperarse, se han registrado también fenómenos semejantes a las auroras polares terrestres en la magnetosfera y la atmósfera de Júpiter.
Como ya mencionamos, el plasma de la magnetosfera terrestre proviene principalmente de la ionosfera, con cierta contribución del plasma solar. A diferencia de esto, el plasma de la magnetosfera de Júpiter proviene principalmente de los gases volcánicos que se escapan de su satélite más interior, Io, y sólo en segundo término de la ionosfera joviana. Io proporciona masa a una tasa del orden de 1 000 kilogramos por segundo y la presión de este flujo de plasma es tan grande que incluso logra deformar la magnetosfera joviana. De hecho, esta presión del plasma contribuye a detener al viento solar (no sólo la presión del campo magnético comprimido, como en el caso de la Tierra) y es en parte por esto que la magnetosfera de Júpiter es tan grande.
Entre los fenómenos más extraños descubiertos en la magnetosfera joviana está un inmenso tubo de flujo de plasma que conecta a Júpiter e Io y que conduce una corriente eléctrica de cerca de 5 000 000 de amperes. Cruzando este tubo está un toro (una dona) de plasma todavía más grande que envuelve la órbita de Io y rodea al planeta. La configuración de este toro es similar a la que se ha intentado lograr en el laboratorio por más de cuatro décadas para confinar plasma y producir la fusión nuclear controlada. Hasta ahora, el confinamiento de un toro de plasma en el laboratorio sólo se ha logrado por unos segundos. En contraste, el toro de plasma que rodea a Júpiter tiene una vida que ya puede medirse en millones de años.
Sin embargo, poco se sabe aún de esta enorme y dinámica magnetosfera. La misión espacial Ulises, cuyo objetivo principal es sondear el plasma del medio interplanetario fuera del plano de la eclíptica (el plano donde se encuentran todas las órbitas de los planetas, salvo la de Plutón) examinó nuevamente este año la magnetosfera de Júpiter y la misión Galileo llegará para quedarse orbitando a este planeta a finales de 1998. Así pues, en el futuro cercano tendremos mucha información nueva de la magnetosfera joviana y de sus interesantísimos entornos de plasma.
Saturno, Urano y Neptuno. Las magnetosferas de los planetas más lejanos se conocen menos aún y tardaremos más en estudiarlas en detalle, pero ya se tienen ciertas imágenes más o menos características de cada una de ellas. En general son más chicas y menos dinámicas que la de Júpiter. También poseen cinturones de radiación atrapada en sus campos magnéticos y emiten ondas de radio, aunque en frecuencias tales que no logran penetrar la ionosfera de la Tierra y sólo se pudieron registrar con el advenimiento de la tecnología espacial que permitió su observación desde el espacio. También se han observado en estos planetas fenómenos aurorales y descargas eléctricas notables, pero fuera de estas semejanzas generales, cada una de ellas es muy diferente de las demás y presenta fenómenos que sólo ahí se han registrado por primera vez. Aunque aquí no abundaremos más en este tema, sí debemos mencionar que el estudio de todo este zoológico de magnetosferas presenta desafíos muy interesantes para la teoría física del plasma y que éstas muestran una variedad tan rica de situaciones inesperadas que sin duda enriquecerán notablemente nuestro conocimiento del comportamiento de la materia en su cuarto estado.