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 creada por un cuerpo celeste con un dinamo interior activo .

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 simple dipolo magnético . Más lejos, las líneas de campo pueden distorsionarse significativamente por el flujo de plasma conductor de electricidad , 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 ; en el caso de la Tierra, esto protege a los organismos vivos de daños. Las interacciones de partículas y atmósferas con magnetosferas se estudian en las materias científicas especializadas de física del plasma , física espacial y aeronomía .

El estudio de la magnetosfera terrestre comenzó en 1600, cuando William Gilbert descubrió que el campo magnético de 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 del dinamo , 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 del campo magnético de la Tierra en función del tiempo y de la latitud y longitud.

A finales de la década de 1940, se empezaron a utilizar 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 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 interior de la magnetosfera terrestre), y la siguiente misión, el Explorer 3, más tarde ese mismo año, demostró definitivamente su existencia. También durante 1958, Eugene Parker propuso la idea del viento solar , y el término "magnetosfera" fue propuesto por Thomas Gold en 1959 para explicar cómo interactuaba el viento solar con el campo magnético de la Tierra. La posterior misión del Explorer 12 en 1961, liderada por la observación de Cahill y Amazeen en 1963 de una disminución repentina de 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 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 a la que la magnetosfera puede soportar la presión del viento solar se denomina distancia Chapman-Ferraro. Se puede modelar de forma 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:$Estilo de visualización R_{\rm {P}}}$${\displaystyle B_{\rm {surf}}}$${\displaystyle V_{\rm {SO}}}$

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

Una magnetosfera se clasifica como "intrínseca" cuando , o cuando la oposición primaria al flujo del viento solar es el campo magnético del objeto. Mercurio , la Tierra , Júpiter , Ganimedes , 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 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 formado por el viento solar que envuelve el obstáculo físico de Venus (ver también magnetosfera inducida de Venus ). Cuando , el planeta mismo y su campo magnético contribuyen. Es posible que Marte sea de este tipo. ^[5]${\displaystyle R_{\rm {CF}}\gg R_{\rm {P}}}$${\displaystyle R_{\rm {CF}}\ll R_{\rm {P}}}$${\displaystyle R_{\rm {CF}}\approx R_{\rm {P}}}$

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 allí a medida que se acerca a la magnetopausa. ^[6] Debido a las interacciones con el arco de choque, el plasma del viento estelar adquiere una anisotropía sustancial , lo que conduce a varias inestabilidades del plasma aguas arriba y aguas abajo del arco de choque. ^[7]

La magnetosuave es la región de la magnetosfera entre la onda de choque y la magnetopausa. Se forma principalmente a partir del viento solar en choque, aunque contiene una pequeña cantidad de plasma de la magnetosfera. ^[8] Es un área que exhibe un alto flujo de energía de partículas , donde la dirección y la magnitud del campo magnético varían erráticamente. Esto es causado por la acumulación de gas del viento solar que ha sufrido efectivamente una termalización . Actúa como un colchón que transmite la presión del flujo del viento solar y la barrera del campo magnético del objeto. ^[4]

La magnetopausa es la zona 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 en choque de la magnetoscopía 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 de la beta del plasma, así como del campo magnético. ^[9] La magnetopausa cambia de tamaño y forma a medida que fluctúa la presión del viento solar. ^[10]

Frente 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 de la cola norte apuntan hacia el objeto, mientras que las del lóbulo de la cola sur apuntan en dirección contraria. 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 capa de plasma, una zona donde el campo magnético es más débil y la densidad de partículas cargadas es mayor. ^[11]

Sobre el ecuador de la Tierra , las líneas del campo magnético se vuelven casi horizontales, luego vuelven a reconectarse en latitudes altas. Sin embargo, a grandes altitudes, el campo magnético está significativamente distorsionado por el viento solar y su campo magnético solar. En el lado diurno de la Tierra, el campo magnético está significativamente comprimido 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 ^[12] y se encuentra a unos 90.000 kilómetros (56.000 millas) de la Tierra. ^[13] 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 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 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 reconectan, las partículas del viento solar pueden ingresar a la magnetosfera. ^[14] En el lado nocturno de la Tierra, el campo magnético se extiende en la cola magnética, que excede longitudinalmente los 6.300.000 kilómetros (3.900.000 millas). ^[3] La cola magnética de la Tierra es la fuente principal de la aurora polar . ^[11] 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. ^[15]

Muchos objetos astronómicos generan y mantienen magnetosferas. En el Sistema Solar, esto incluye al Sol, Mercurio , la Tierra , Júpiter , Saturno , Urano , Neptuno , ^[16] y Ganimedes . 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. ^[17] 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. ^[18] 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. ^{[16] [19]}

Se cree que las magnetosferas generadas por exoplanetas son comunes, aunque los primeros descubrimientos no llegaron hasta la década de 2010. En 2014, se dedujo un campo magnético alrededor de HD 209458 b a partir de la forma en que el hidrógeno se evaporaba del planeta. ^{[20] [21]} En 2019, se estimó la fuerza de los campos magnéticos superficiales de 4 Júpiter calientes y osciló entre 20 y 120 gauss en comparación con el campo magnético superficial de Júpiter de 4,3 gauss. ^{[22] [23]} 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, una firma de un campo magnético planetario. ^{[24] [25]} En 2021, un campo magnético generado por HAT-P-11b se convirtió en el primero en confirmarse. ^[26] La primera detección no confirmada de un campo magnético generado por un exoplaneta terrestre se encontró en 2023 en YZ Ceti b . ^{[27] [28] [29] [30]}

• Geoespacio
• Plasma (física)