IV. MAGNETOSFERAS
CONFORME nos alejamos de la Tierra y abandonamos lo que se conoce
propiamente como la atm�sfera, entramos de lleno en el dominio del plasma. Nuestro
planeta y todos los dem�s planetas del Sistema Solar que poseen un intenso campo
magn�tico de origen interno est�n rodeados por envolturas magn�ticas 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 sat�lites y sondas espaciales. En octubre de 1957, cuando se
coloc� por primera vez en �rbita un sat�lite artificial, el Sputnik,
se inici� la f�sica de plasmas espacial moderna. Sat�lites como �ste 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 presi�n, la intensidad
de campo magn�tico y muchas otras caracter�sticas de los plasmas en el espacio.
En las d�cadas posteriores, veh�culos como �stos han sido sacados de la atracci�n
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 cap�tulo las describiremos
brevemente.
Debido a su cercan�a , la magnetosfera de la tierra es la que m�s se ha explorado y, por lo tanto, la que conocemos y entendemos mejor. A finales de la d�cada de 1960 los datos de los sat�lites que orbitan la Tierra ya hab�an proporcionado una imagen bastante completa, aunque burda, de nuestra envoltura magn�tica y de plasma hasta sus l�mites cercanos. La imagen a la que condujeron las medidas detalladas de estos sat�lites difer�a enormemente de lo que se hab�a supuesto unos a�os antes. En particular; la presencia de flujos de part�culas cargadas o corrientes el�ctricas desde una regi�n de plasma hacia otra, as� como la de campos el�ctricos que aceleran part�culas hasta muy altas energ�as, revelaron una capa envolvente de plasma de la Tierra muy din�mica 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 ah� tienen lugar son procesos de f�sica de plasmas que en su mayor�a eran totalmente desconocidos.
Aunque la idea b�sica de una magnetosfera fue establecida hace mucho por Birkeland,
en 1896, y descrita despu�s por Hoyle en 1956, no fue sino hasta que se utilizaron
veh�culos espaciales para explorarla que se acept� ampliamente su existencia
por la comunidad cient�fica. La magnetosfera de la Tierra (y todas las dem�s
magnetosferas) existe porque el Sol emite continuamente plasma a gran velocidad
y en todas direcciones. Este plasma, que tiene una conductividad el�ctrica muy
alta, pues est� totalmente ionizado y es muy diluido, no acepta la penetraci�n
de un campo magn�tico externo (propiedad bien conocida de los buenos conductores
el�ctricos). En estas circunstancias, el campo magn�tico de la Tierra es barrido
del medio interplanetario y comprimido hacia nuestro planeta por el lado que
da al Sol, el lado d�a. En el lado opuesto, el lado noche, las
l�neas de campo se estiran alej�ndose del Sol, formando una cola como la de
los cometas (figura 11).
Figura 11. La magnetosfera de la Tierra est� formada por el flujo del plasma solar que encierra al campo magn�tico terrestre en una c�psula. En ella se encuentran diferentes regiones de plasma y estructuras de campo magn�tico.
Este efecto de deformaci�n es el resultado de la interacci�n del frente de flujo del plasma solar con el campo magn�tico que encuentra a su paso, el cual genera corrientes en el plasma que inducen la aparici�n de nuevos campos magn�ticos. Estos campos magn�ticos inducidos tienden a cancelar el campo en el interior del plasma y a incrementarlo afuera. El plasma podr� seguir fluyendo, barriendo y comprimiendo el campo magn�tico a su paso hasta que la presi�n que el flujo ejerce sobre el campo iguale la presi�n que el campo comprimido ejerce sobre el flujo. En ese punto (que de hecho ser�n muchos puntos que formar�n una superficie) el plasma esquivar� y rodear� al "obst�culo" magn�tico, confi�ndolo a una cavidad en la que el plasma solar ya no penetra. Esta superficie constituye lo que se llama la magnetopausa, porque m�s all� de ella ya no se encuentra el campo magn�tico del planeta.
Cerca de la Tierra, el campo geomagn�tico es muy similar al de una barra de
im�n, que es lo que se conoce como el campo de un dipolo (figura 7).
Antes del a�o geof�sico internacional (IGY) en 1957-1958, se cre�a
que el campo dipolar de la Tierra continuar�a extendi�ndose hacia afuera en
el espacio sin cambiar su forma y que su intensidad disminuir�a al alejarse.
Pero a partir de las intensas observaciones con cohetes y sat�lites durante
el IGY se descubri� que conforme se asciende, el campo magn�tico
gradualmente empieza a parecerse menos al de un dipolo y que del lado d�a el
campo geomagn�tico de repente empieza a ser m�s 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 magn�tico
es lo que se conoce como nuestra magnetosfera y en poco tiempo se obtuvo una
imagen global de ella. As� pues, la magnetosfera existe porque la Tierra no
est� rodeada por un vac�o, como era la imagen simplista previa a la era espacial,
sino que se encuentra inmersa en un plasma que fluye muy r�pidamente.
Un detalle interesante es que el plasma solar que fluye es tan r�pido que su velocidad supera la velocidad de las ondas que se transmiten en �l. Cuando este plasma encuentra un obst�culo en su camino, como el campo magn�tico de la Tierra, se generan ondas que tratan de propagarse en todas direcciones. Pero como el flujo viaja m�s r�pidamente 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 direcci�n hacia el Sol (figura 11). El plasma solar que fluye antes de la onda de choque no est� perturbado en absoluto por la presencia del obst�culo, pero el flujo de plasma posterior a esta onda ya es muy diferente: se vuelve turbulento y m�s desorganizado (m�s caliente) y el campo magn�tico 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 tambi�n se ilustra en la figura 11.
El interior de la magnetosfera tambi�n 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 relaci�n con los dem�s. As� 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 magnetosf�rica; en una de estas regiones las l�neas de campo magn�tico se dirigen hacia la Tierra, mientras que en la otra se alejan de ella. Seg�n las observaciones con veh�culos espaciales, la cola magnetosf�rica de la Tierra se extiende a m�s de 1 000 y posiblemente 2 000 RT. Ahora ya sabemos que esta estructura celular es una caracter�stica ubicua en todos los plasmas c�smicos en sistemas estelares y gal�cticos y en las envolturas de los planetas y de los cometas.
La magnetosfera se considera como la regi�n del espacio que rodea a la Tierra en donde los procesos f�sicos que ocurren est�n dominados por el campo geomagn�tico, esto es, donde el material atmosf�rico ya est� en estado de plasma y su densidad es tan baja que las colisiones entre las part�culas no desempe�an ning�n papel importante. Esto ocurre aproximadamente entre 1 000 y 2 000 kil�metros de altura, donde se considera que termina la ionosfera. Aunque la frontera inferior de la magnetosfera no es muy precisa, su significado f�sico es bastante claro.
Toda la magnetosfera se encuentra llena de plasma, principalmente de origen ionosf�rico, aunque en ocasiones se cuela en ciertas regiones de ella el plasma de origen solar. En el interior de la magnetosfera el campo magn�tico est� bastante ordenado y se pueden distinguir l�neas de campo magn�tico que tienen sus dos pies en la Tierra, a las que se les llama l�neas cerradas y otras que s�lo tienen un pie y que se denominan l�neas abiertas. Formalmente todas las l�neas de campo magn�tico deben ser (y son) cerradas, pero en el caso de las l�neas abiertas la conexi�n es a trav�s de l�neas de campo del medio interplanetario. Sobre la superficie de la Tierra las l�neas abiertas se encuentran s�lo a altas latitudes, pero se pueden encontrar l�neas abiertas a cualquier latitud con s�lo irse suficientemente lejos.
En el interior de la magnetosfera se destaca la plasmosfera que es la porci�n del plasma magnetosf�rico que rota con la Tierra. Esta regi�n se extiende hasta una distancia entre 3 y 6 RT de altura, dependiendo del estado de perturbaci�n de la magnetosfera, el cual a su vez depende del estado de perturbaci�n del Sol. Fuera de esta regi�n, la densidad de electrones y iones decrece muy r�pidamente y sus patrones de circulaci�n ya no tienen que ver con la rotaci�n terrestre. Aunque su nombre lo sugiere, su forma no es esf�rica y no s�lo est� limitada en distancia sino tambi�n en latitud, extendi�ndose s�lo hasta las latitudes de las �ltimas l�neas que son cerradas a todas horas, esto es, tanto del lado d�a como del lado noche, donde el campo magn�tico es bastante semejante a un campo dipolar. A latitudes magn�ticas m�s altas, cerca de los polos, las l�neas de campo se encuentran estiradas hacia la cola y por ellas fluye el plasma que escapa de la ionosfera y que sigue estas l�neas hasta las profundidades de la cola magnetosf�rica, detr�s 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 regi�n uniforme. En su interior existen dos zonas en forma de dona en donde se encuentra una poblaci�n bastante densa de part�culas (protones y electrones) atrapada en las l�neas cerradas del campo geomagn�tico. A estas dos zonas se les denomina cinturones de radiaci�n o cinturones de Van Allen, en honor a su descubridor. En 1958, al analizar la informaci�n enviada por los detectores de part�culas a bordo del sat�lite artificial Explorer 1, el f�sico estadunidense James Alfred van Allen descubri� estas zonas de intensa radiaci�n corpuscular (part�culas) 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 magn�tico son m�s anchos en el ecuador y no cubren los polos.
A diferencia de las part�culas de plasma que componen la plasmosfera y que
tienen energ�as muy bajas, los protones y electrones atrapados en los cinturones
son de muy alta energ�a, miles y hasta millones de veces m�s alta que la del
plasma. Estas part�culas se encuentran girando muy r�pidamente alrededor de
las l�neas 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.
Adem�s dan vuelta alrededor de la Tierra, los protones hacia el oeste y los
electrones hacia el este. En la figura 12 se muestra esquem�ticamente los tres
tipos de movimientos de las part�culas atrapadas en los cinturones de Van Allen.
El tiempo que les toma a estas part�culas dar un giro alrededor de la l�nea
de campo es del orden de millon�simas 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 esquem�tico que muestra los tres movimientos de las
part�culas en los cinturones de Van Allen: un movimiento de giro alrededor de
la l�nea de campo; un movimiento de vaiv�n entre dos puntos de reflexi�n (puntos
espejo) sobre la l�nea y un movimiento que deriva alrededor de la tierra.
La existencia de puntos espejo surge de la naturaleza dipolar del campo magn�tico, cuya intensidad aumenta hacia los polos. Cuando las part�culas cargadas se van moviendo alrededor de una l�nea hacia regiones de campos m�s intensos van a encontrar un punto de alcance m�ximo, m�s all� del cual ya no pueden penetrar. Como esto ocurre si se dirigen hacia el polo norte o al polo sur, las part�culas quedan atrapadas entre dos puntos de reflexi�n. Estos dos puntos no son los mismos para todas las part�culas, pues dependen de la manera como �stas fueron inyectadas en esas regiones. En el laboratorio se ha intentado confinar plasmas en botellas magn�ticas. Sin embargo, estos confinamientos "artificiales" de plasmas hasta ahora no han resultado eficientes.
El cintur�n interior est� centrado en una l�nea que cruza el ecuador a 0.5 RT de altura y est� poblado principalmente por protones. El cintur�n exterior, que llega hasta la plasmopausa, o sea el l�mite de la plasmosfera (3 RT de altura), est� poblado sobre todo por electrones. Parece haber dos fuentes principales de inyecci�n de part�culas en estas regiones. Una de ellas son los neutrones que provienen de la atm�sfera y que, como son part�culas inestables, en unos minutos se transforman en un par electr�n-prot�n. Estos �ltimos, al ser part�culas cargadas, quedar�n atrapados por el campo magn�tico terrestre ah� donde las l�neas son cerradas. Los neutrones provenientes de la atm�sfera se producen en forma natural por la interacci�n de los rayos c�smicos (que son part�culas de muy alta energ�a que llegan a la Tierra desde el espacio exterior) con los n�cleos de los �tomos de la atm�sfera. 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 part�culas cargadas entre 1950 y 1970 como resultado de las explosiones nucleares a gran altura que realizaron Estados Unidos y la Uni�n Sovi�tica. Estas part�culas pasaron a formar parte de la poblaci�n de los cinturones de Van Allen, algunas transitoriamente, otras permanecen ah�.
La segunda fuente importante de part�culas de los cinturones de Van Allen parece ser la cola magnetosf�rica, donde aparentemente son aceleradas part�culas de baja energ�a, posiblemente del plasma solar, y luego son lanzadas hacia la Tierra. Parte de estas part�culas quedan atrapadas en los cinturones de radiaci�n 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 el�ctrica, la corriente anular. Por convenci�n, las corrientes fluyen en la direcci�n en que se mueven las part�culas positivas y por lo tanto la corriente anular fluye hacia el oeste. Esta corriente produce un peque�o campo magn�tico que se puede medir sobre la superficie de la Tierra y que apunta hacia el sur; de manera que disminuye un poco el campo magn�tico en la superficie. Llevando un registro de los peque�os cambios repentinos en el campo global es posible detectar aumentos o disminuciones del n�mero de part�culas 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 �ltima se manifiesta en forma de explosiones de luz (r�fagas), estallidos de protuberancias, lanzamiento de plasma m�s r�pido, etc., y repercute en el plasma que fluye en el medio interplanetario y que posteriormente interact�a con la magnetosfera. Las alteraciones globales m�s intensas de la magnetosfera son las tormentas geomagn�ticas y un buen n�mero de manifestaciones diversas, incluyendo las auroras, evidencian la fuerte interacci�n 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 intr�nseco suficientemente intenso como para no ser completamente barrido por el flujo solar; tendr�n una magnetosfera. Esto es, cada uno de estos campos se concentrar� alrededor de su planeta de origen formando una estructura semejante a la del entorno magn�tico de la Tierra. Como el tama�o de estas magnetosferas depende de la intensidad del campo interno del planeta, Mercurio posee una magnetosfera peque�a (su campo interno es s�lo un cent�simo del de la Tierra) y J�piter tiene la magnetosfera m�s grande de todo el Sistema Solar (su campo interno es diez veces el de la Tierra). Venus no tiene campo magn�tico y por lo tanto no tiene magnetosfera y el campo de Marte es tan d�bil que s�lo ocasionalmente (ante el impacto de un plasma solar lento) forma una peque�a magnetosfera alrededor del planeta. Los planetas gigantes tienen magnetosferas grandes y muy interesantes y en el caso de Plut�n, aunque no se ha explorado directamente, no se cree que la tenga. Cada una de estas magnetosferas merecer�a una amplia descripci�n, pero aqu� nos limitaremos �nicamente a dar unos cuantos detalles.
Mercurio. La magnetosfera de Mercurio se extiende del lado d�a a una distancia de apenas un radio del planeta, el cual es un poco mayor que la luna. Como Mercurio carece de atm�sfera no tiene una ionosfera que forme un sistema de corrientes el�ctricas con la magnetosfera, como en el caso de la tierra y entonces se generan diferencias de potencial el�ctrico muy altas, del orden de millones de volts. Esto conduce en ocasiones a violentas descargas el�ctricas que cruzan la magnetosfera mercuriana. Poco sabemos a�n de los detalles de esta magnetosfera y no existen planes a corto plazo para su mayor exploraci�n.
Venus y Marte. Aunque Venus y Marte no tienen propiamente una magnetosfera porque carecen de un campo magn�tico interno importante, est�n envueltos en el campo magn�tico que transporta el plasma proveniente del Sol. Han sido extensamente explorados por veh�culos espaciales estadounidenses y sovi�ticos y se ha observado en sus inmediaciones cuerdas de plasma atado a estas l�neas magn�ticas, lo cual les proporciona tambi�n un entorno magn�tico y de plasma particular. En el futuro cercano posiblemente sabremos m�s de estos planetas y de sus capas envolventes de plasma, pues el sat�lite Magallanes ya se encuentra orbitando Venus y se planea una nueva misi�n a Marte.
Las magnetosferas de los planetas jovianos (J�piter, Saturno, Urano y Neptuno) fueron exploradas por las sondas espaciales Viajero 1 y 2 que fueron lanzadas en 1977; llegaron a J�piter en 1979 y en la d�cada de los a�os ochenta a los dem�s planetas. Estas exploraciones, aunadas a observaciones de las emisiones de radio de estos planetas desde Tierra y a bordo de sat�lites, han proporcionado im�genes m�s o menos generales, aunque a�n poco detalladas, de las magnetosferas de estos cuerpos. En t�rminos generales son semejantes a la de la Tierra: presentan una nariz comprimida por el flujo del viento solar y una enorme cola magnetosf�rica que se extiende del lado noche del planeta. Enfrente de cada una de ellas se encuentra una onda de choque y est�n tambi�n rodeadas por una magnetofunda. En su interior, el plasma se organiza en diversas regiones con caracter�sticas diferentes y fluye de manera m�s o menos ordenada entre algunas de ellas. Pero ya en detalle, cada magnetosfera es un ente realmente �nico.
J�piter. La magnetosfera de J�piter es la m�s grande, la m�s din�mica y en la que se dan procesos que implican la mayor energ�a en las magnetosferas del Sistema Solar. El di�metro de su enorme cola es de aproximadamente 3 000 radios terrestres y si la magnetosfera joviana fuera visible, vista desde la Tierra ocupar�a una regi�n de m�s de cuatro veces la Luna llena. Esta magnetosfera se extiende en la direcci�n del Sol hasta unos 100 radios de J�piter y su cola mide al menos 10 000 RJ. Para tener una idea del enorme tama�o de J�piter baste decir que toda la magnetosfera de la Tierra cabr�a en el interior del planeta; para imaginarnos la enormidad de su magnetosfera es interesante destacar que al Viajero 2, que ten�a una velocidad media de 35 000 kil�metros por hora, le tom� 35 d�as cruzar s�lo una porci�n de esta magnetosfera.
J�piter tambi�n est� rodeado por cinturones de part�culas energ�ticas atrapadas en su campo magn�tico, las cuales emiten se�ales de radio notablemente intensas; despu�s del Sol, la magnetosfera de J�piter es la fuente de emisiones de radio m�s brillante del cielo. Esta magnetosfera es tambi�n un poderoso acelerador de part�culas, algunas de las cuales llegan a tener tanta energ�a que escapan de ella y se registran en el medio interplanetario y tambi�n en la Tierra. Como era de esperarse, se han registrado tambi�n fen�menos semejantes a las auroras polares terrestres en la magnetosfera y la atm�sfera de J�piter.
Como ya mencionamos, el plasma de la magnetosfera terrestre proviene principalmente de la ionosfera, con cierta contribuci�n del plasma solar. A diferencia de esto, el plasma de la magnetosfera de J�piter proviene principalmente de los gases volc�nicos que se escapan de su sat�lite m�s interior, Io, y s�lo en segundo t�rmino de la ionosfera joviana. Io proporciona masa a una tasa del orden de 1 000 kilogramos por segundo y la presi�n de este flujo de plasma es tan grande que incluso logra deformar la magnetosfera joviana. De hecho, esta presi�n del plasma contribuye a detener al viento solar (no s�lo la presi�n del campo magn�tico comprimido, como en el caso de la Tierra) y es en parte por esto que la magnetosfera de J�piter es tan grande.
Entre los fen�menos m�s extra�os descubiertos en la magnetosfera joviana est� un inmenso tubo de flujo de plasma que conecta a J�piter e Io y que conduce una corriente el�ctrica de cerca de 5 000 000 de amperes. Cruzando este tubo est� un toro (una dona) de plasma todav�a m�s grande que envuelve la �rbita de Io y rodea al planeta. La configuraci�n de este toro es similar a la que se ha intentado lograr en el laboratorio por m�s de cuatro d�cadas para confinar plasma y producir la fusi�n nuclear controlada. Hasta ahora, el confinamiento de un toro de plasma en el laboratorio s�lo se ha logrado por unos segundos. En contraste, el toro de plasma que rodea a J�piter tiene una vida que ya puede medirse en millones de a�os.
Sin embargo, poco se sabe a�n de esta enorme y din�mica magnetosfera. La misi�n espacial Ulises, cuyo objetivo principal es sondear el plasma del medio interplanetario fuera del plano de la ecl�ptica (el plano donde se encuentran todas las �rbitas de los planetas, salvo la de Plut�n) examin� nuevamente este a�o la magnetosfera de J�piter y la misi�n Galileo llegar� para quedarse orbitando a este planeta a finales de 1998. As� pues, en el futuro cercano tendremos mucha informaci�n nueva de la magnetosfera joviana y de sus interesant�simos entornos de plasma.
Saturno, Urano y Neptuno. Las magnetosferas de los planetas m�s lejanos se conocen menos a�n y tardaremos m�s en estudiarlas en detalle, pero ya se tienen ciertas im�genes m�s o menos caracter�sticas de cada una de ellas. En general son m�s chicas y menos din�micas que la de J�piter. Tambi�n poseen cinturones de radiaci�n atrapada en sus campos magn�ticos y emiten ondas de radio, aunque en frecuencias tales que no logran penetrar la ionosfera de la Tierra y s�lo se pudieron registrar con el advenimiento de la tecnolog�a espacial que permiti� su observaci�n desde el espacio. Tambi�n se han observado en estos planetas fen�menos aurorales y descargas el�ctricas notables, pero fuera de estas semejanzas generales, cada una de ellas es muy diferente de las dem�s y presenta fen�menos que s�lo ah� se han registrado por primera vez. Aunque aqu� no abundaremos m�s en este tema, s� debemos mencionar que el estudio de todo este zool�gico de magnetosferas presenta desaf�os muy interesantes para la teor�a f�sica del plasma y que �stas muestran una variedad tan rica de situaciones inesperadas que sin duda enriquecer�n notablemente nuestro conocimiento del comportamiento de la materia en su cuarto estado.
