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UN ACAPARADOR POCO CONOCIDO.
CUANDO uno vive en, y forma parte de una singularidad, es
natural
que al principio considere que su entorno es representativo de
las caractersticas generales de todo el sistema y que lo que
difiere
mucho de nuestra naturaleza es muy escaso. As, hasta hace slo
unas cuantas dcadas imaginbamos que toda la materia del
Universo era slida, lquida o gaseosa, lo que llamamos los tres
estados de la materia. Al descubrir el estado de plasma y
empezar
a estudiar su comportamiento tan singular, se decidi acuar para
ste el trmino cuarto estado de la materia, pues en conjunto
corresponde a un estado de mayor energa que los tres anteriores.
Sin embargo, por su temprana aparicin en el Universo (ya que segn
las teoras cosmolgicas el Universo naci en forma de
plasma) y por su enorme abundancia (pues toda la materia del
Universo sigue siendo an plasma), debera ser el primero.
QU ES UN PLASMA?
Sabemos que los tomos, que suelen agruparse en molculas, son los
bloques que constituyen las sustancias ordinarias. Estn
compuestos de un ncleo cargado con electricidad positiva y un
nmero equivalente de electrones cargados con electricidad
negativa. As, los tomos en su forma completa son elctricamente
neutros. Cuando se extraen del tomo uno o ms de sus electrones,
lo que queda tiene un exceso de carga positiva y constituye lo
que se conoce como un ion. En un caso extremo, un ion puede ser
simplemente un puro ncleo atmico al que se le han desprendido
todos sus electrones circundantes. Una sustancia que contiene
iones, a la vez que conserva los electrones, aunque ya libres
del amarre atmico, es un plasma. As pues, el plasma no es un
material particular; sino cierto estado especfico de la materia en
el
que, en conjunto, el material es elctricamente neutro, pero que
contiene iones y electrones libres capaces de moverse en forma
independiente.
Se le ha llamado el cuarto estado de la materia porque, en
general,
equivale a un estado de mayor energa. Una sustancia
suficientemente fra se presenta en estado slido, es decir, tiene
una forma especfica e internamente se caracteriza por el hecho
de
que los tomos que la constituyen se encuentran firmemente
unidos. Al calentar la sustancia la unin entre los tomos se
hace
ms dbil debido a la agitacin trmica y la sustancia pasa a otro
estado que conocemos como lquido, en el que ya no tiene una
forma especfica pero ocupa un volumen definido. Al seguir
calentando la sustancia sus tomos pueden llegar a liberarse
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completamente de las ligas mutuas y entonces pasa a un
estado
de gas, en el que ya no tiene forma ni volumen fijos, sino que
dependen de los del recipiente que la contiene. Si esta sustancia
se
calienta an ms se produce un nuevo cambio, ahora ya en el
interior de los tomos, los cuales empiezan a desprenderse de
sus
electrones, esto es, se ionizan y se forma un plasma. Conforme
el material se calienta ms, sus tomos se mueven con mayor
rapidez
y al chocar unos con otros en gran agitacin puede originarse el
desprendimiento de algunos de sus electrones orbitales,
quedando
as los tomos ionizados y algunos electrones libres. Por encima
de los 10 000 grados Kelvin (K), cualquier sustancia ya es un
plasma.
Los grados Kelvin corresponden a la escala absoluta de
temperaturas, en la que no existen temperaturas negativas y el
cero absoluto equivale a -273 grados centgrados.
Sin embargo, es importante destacar que el estado de plasma no
implica necesariamente altas temperaturas; la ionizacin de un
material puede producirse por diversos medios. Se pueden
producir plasmas por descargas elctricas; si a un gas ordinario se
le aplica
un campo elctrico muy fuerte pueden desprenderse algunos de los
electrones orbitales, quedando estos tomos ionizados y algunos
de
sus electrones libres. Estos electrones libres sern acelerados
por el campo elctrico y chocarn con otros tomos, desprendiendo
algunos de sus electrones, y as el proceso contina como una
avalancha. Esto es lo que se llama una descarga elctrica, y un
gas ionizado por una descarga elctrica es un tpico caso de un
plasma.
Tales plasmas se producen en forma natural con los relmpagos o
en forma artificial en las lmparas fluorescentes y los tubos de
nen, por ejemplo.
Otra forma de obtener un plasma es por medio de la absorcin
de
fotones. Los fotones, que son las partculas de la luz, tambin
desprenden electrones de los tomos cuando chocan con ellos; a este
proceso se le llama fotoionizacin. La mayor parte del plasma
que llena el espacio en el Universo ha sido producido por
fotoionizacin, por la luz ultravioleta de las estrellas.
As pues, cualquier sustancia puede encontrarse en estado de
plasma siempre que se den las condiciones para que toda ella o
slo una parte se encuentre ionizada. En la naturaleza existen
plasmas que tienen temperaturas tan altas como 1 000 000 000 de
grados Kelvin o tan bajas como 100 K.
La densidad de los plasmas naturales tambin vara enormemente;
los hay tan tenues que contienen menos de un par electrn-ion
por
centmetro cbico y tan densos que llegan a tener del orden de
1025 (un uno seguido de 25 ceros) pares electrn-ion por
-
centmetro cbico. La mayor parte del plasma en el Universo es
hidrgeno, pues ste es, con mucho, el elemento ms abundante. El
ncleo del hidrgeno tiene una sola carga positiva, est
constituido por un solo protn y por lo tanto tiene nicamente un
electrn. En un plasma de hidrgeno totalmente ionizado se
tienen,
pues, protones y electrones libres en una especie de sopa que,
aunque elctricamente neutra, no llega a constituirse en tomos.
EL DOMINIO DEL PLASMA
Aunque casi toda la materia del Universo se encuentra en forma
de plasma, este estado no nos es familiar pues en nuestro
entorno
cercano es raro y efmero. Estamos rodeados de slidos, lquidos y
gases y slo aparecen plasmas cerca de nosotros cuando, por
ejemplo, un relmpago cruza la atmsfera y ioniza momentneamente
el aire, o mientras est encendida una lmpara fluorescente. Tambin
la atmsfera se convierte en un plasma
cuando ocurre una aurora, ese fenmeno luminoso que se observa en
el cielo cerca de los polos y que constituye el espectculo
natural
ms bello que podamos imaginar. As mismo, constituyen un plasma
los tomos ionizados y sus electrones libres en la estructura
cristalina de un metal slido, siendo estos ltimos capaces de
moverse con mucha facilidad para transportar una corriente
elctrica.
Pero conforme nos alejamos de la superficie de nuestro planeta
nos vamos adentrando cada vez ms en el dominio del plasma. La
parte
alta de nuestra atmsfera, la ionosfera,es un plasma, y el
material que puebla nuestro entorno magntico,
nuestra magnetosfera,tambin es un plasma. El medio
interplanetario est lleno de plasma, el viento solar; y
prcticamente todo nuestro Sol es una esfera de plasma. Del mismo
modo el plasma envuelve a todos los dems planetas, y todas las
estrellas del Universo son cuerpos de plasma. Adems de esto, el
plasma llena tambin el medio interestelar y el espacio
intergalctico. Aristteles tena razn y la Naturaleza le tiene
horror al vaco: ha llenado todo el espacio de plasma.
En la figura 1 se ve la gran diversidad de condiciones en
que
aparecen los plasmas y algunos de los lugares donde se encuentra
cada uno de ellos. (Vase figura 1).
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Figura 1. Rango de temperaturas y densidades que abarcan los
plasmas. En
comparacin, los slidos, los lquidos y los gases slo existen en
rangos
pequeos de temperaturas y presiones.
Las escalas lineales para los plasmas varan enormemente, por
un
factor de 1032. En el laboratorio los plasmas se encuentran
hasta en dimensiones del orden de 10-5m; los plasmas
magnetosfricos, que
constituyen la envoltura de plasma de nuestro planeta y de los
dems planetas magnticos del Sistema Solar, ocupan dimensiones del
orden de 108m; la heliosfera, que es la envoltura de plasma de
nuestra estrella y que cubre a todos los planetas del Sistema
Solar tiene dimensiones del orden de 1015m; las nubes
interestelares de
plasma ocupan regiones de 1017m, y la distancia de Hubble, que
corresponde al lmite del Universo observable, es de 1026m. De
todo
esto hablaremos con ms detalle en los captulos posteriores.
CMO OBSERVAMOS AL PLASMA?
El plasma es tan generalizado en el espacio que casi
podramos
equipararlo con el ter o quintaesencia de los griegos, que de
acuerdo con sus ideas constitua todos los cuerpos por encima de
la
Tierra y llenaba los mismos cielos. Pero no obstante su gran
abundancia, el plasma espacial tard mucho tiempo en ser
descubierto. El principal motivo de este retraso es que la
radiacin que emiten los plasmas espaciales tiene, en general,
frecuencias
muy diferentes a las de la luz. Nuestros ojos slo son sensibles
a
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emisiones electromagnticas con frecuencias dentro de un
rango
muy reducido, y no podemos ver ni rayos ultravioleta, ni
infrarrojos, ni X, ni gamma (), como tampoco podemos ver las
ondas de radio (figura 2). Muchas de estas radiaciones ni
siquiera logran atravesar nuestra atmsfera, as, cuando provienen
del
espacio exterior no es posible detectarlas en la Tierra.
Figura 2. Descripcin esquemtica de las diferentes longitudes de
onda en el
espectro electromagntico. Las ondas de mayor longitud (menor
frecuencia)
corresponden a las ondas de radio; las de menor lonigtud de onda
(y ms alta
frecuencia) son los rayos gamma ().
En la figura 3 se muestra la altura sobre la superficie de la
Tierra a
la cual penetran los distintos tipos de radiaciones
electromagnticas y los vehculos que pueden explorar dichas alturas.
Como se
observa, slo las radiaciones en la estrecha banda de la luz
visible, algunas en la banda del infrarrojo y las que caen dentro
de otra estrecha banda en la regin de radioondas llegan a la
superficie.
Estas regiones se conocen como las ventanas ptica y de radio,
respectivamente.
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Figura 3. Diferentes alturas sobre la superficie de la Tierra,
hasta las que
logran penetrar las radiaciones de diferente longitud de onda
provenientes
del espacio exterior. Ntese que solamente alcanzan la superficie
las
radiaciones en el estrecho rango de la luz visible, un poco de
la regin del
infrarrojo y una estrecha banda de ondas de radio. En el eje
vertical derecho
se indican los vehculos exploradores que alcanzan las diversas
alturas para
registrar todas las radiaciones.
Durante 3 000 aos, la civilizacin humana construy su
conocimiento del Universo observando slo una regin muy estrecha
del espectro electromagntico, la que penetra por la
ventana ptica. Hasta hace unas cuantas dcadas, la nica ventana
por la que habamos observado el Universo era sa y el hombre
crea que todo lo que haba "all arriba" era lo que le revelaban
sus propios ojos; ni siquiera imagin que hubiera algo ms que
escapara a la estrechsima banda que somos capaces de registrar
por medio de la vista. El plasma emite (y por lo tanto manifiesta
su
presencia) en todas las frecuencias del espectro, pero tanto en
frecuencias muy altas (ultravioleta, rayos X, rayos ), como en
frecuencias muy bajas (ondas de radio), no pudo percibirse
sino
hasta que se inici la exploracin del Universo por la ventana de
radio y cuando se colocaron detectores de todas las radiaciones
a
-
grandes alturas, por encima de nuestra atmsfera. Nuevos ojos
tuvieron que abrirse para ver el universo de plasma y hasta hace
menos de dos dcadas se pudieron ver los rayos UV, X y que
emiten los plasmas muy calientes. Sin embargo, es importante
mencionar que los plasmas tambin emiten luz visible; la corona
solar; el halo blanco que rodea al disco del Sol y que se ha
observado durante los eclipses totales desde tiempos muy
remotos,
es un plasma, aunque slo hace poco tiempo que lo sabemos.
El plasma se estudia hoy en el laboratorio, donde se produce
artificialmente, y mediante observatorios (terrestres y
orbitales)
que registran las emisiones de los plasmas naturales que nos
rodean hasta el infinito. Pero tambin se le observa in situ, es
decir;
en la propia regin donde se encuentra. Los vehculos espaciales
que orbitan o sondean los diversos cuerpos y regiones de
nuestro
Sistema Solar estn en contacto directo con diferentes tipos de
plasmas y registran de primera mano sus caractersticas qumicas,
termodinmicas y dinmicas y sus condiciones magnticas.
Junto con los plasmas (y en cierto modo como consecuencia de
ellos) existen en todo el Universo campos magnticos cuyas lneas
permean al plasma, los cuales funcionan a veces como
organizadores de la estructura del plasma y en otras ocasiones
son
arrastrados por el flujo de ste. En la naturaleza, plasmas y
campos magnticos son compaeros inseparables. Pero tampoco faltan
las
corrientes y los campos elctricos pues forman, junto con los
plasmas y los campos magnticos, una misma familia indivisible.
UN UNIVERSO FILAMENTOSO Y PARCELADO
El espacio lleno de plasma se nos revela entonces muy distinto
del espacio vaco en el que pensbamos hace apenas unas cuantas
dcadas. El espacio no slo est ocupado por materia, sino que lo
penetran muchas redes de corrientes elctricas y filamentarias,
alineadas por los campos magnticos que permean el plasma. Se
encuentran tambin en el espacio frentes de choque
(discontinuidades) que viajan en el plasma a velocidades
supersnicas o que permanecen fijos en el espacio, estableciendo
fronteras entre plasmas diferentes. Otras fronteras son
establecidas
por enormes hojas de corrientes elctricas y en ocasiones suelen
producirse capas dobles, en las cuales se aceleran las
partculas
hasta energas mucho mayores de las que se alcanzan en nuestros
ms modernos aceleradores.
As, hemos descubierto que el espacio no slo no es homogneo,
sino que est parcelado, esto es, estructurado en diversas
regiones dentro de las cuales las condiciones del plasma son
distintas;
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regiones contiguas, pero rodeadas por fronteras
electromagnticas
que parcelan el espacio y establecen una coexistencia pacfica
entre plasmas de composicin qumica, temperatura, densidad y
magnetizaciones diferentes, y condiciones dinmicas particulares
que pueden ser contiguas, pero no se mezclan.
De todo esto hablaremos ms adelante en detalle, pero deseamos
mencionarlo en esta introduccin para destacar el hecho de que el
descubrimiento de la presencia universal del plasma y la
comprensin cada vez mayor de sus caractersticas y de su
comportamiento han cambiado profundamente nuestra concepcin
de los cuerpos y el espacio que constituyen nuestro Universo.
Para los antiguos griegos y hasta el Renacimiento, la geometra fue
la
ciencia que se ocupaba de los cielos; el Universo era un
conjunto de cuerpos cuyas posiciones y movimientos haban de ser
descritos.
Esta labor de mapeo an se contina, con el uso de telescopios ms
grandes y tecnologas cada vez ms complejas. Pero desde Isaac
Newton, hace unos trescientos aos, el Universo empez a verse
tambin como un sistema fsico regido por fuerzas gravitacionales
que ya no slo determinaban las posiciones y los movimientos,
sino que daban cuenta de una evolucin. Ahora surge un nuevo
cambio.
La imagen que nos han revelado las observaciones y registros
espaciales de las ltimas dcadas, la del Universo lleno de plasma,
en muchas partes mucho ms sensible a las fuerzas
electromagnticas que a las gravitacionales, impone otro punto de
vista: la geometra ya hizo su trabajo, la gravitacin tambin ya
hizo lo suyo, toca ahora a la fsica del plasma completar la
descripcin de nuestro Universo.
EL PLASMA VISTO DE CERCA
HEMOS visto ya a grandes rasgos que un plasma es cualquier
sustancia con un grado de ionizacin suficiente como para que
sea
sensible a la presencia de fuerzas elctricas y magnticas. Hemos
mencionado tambin su gran abundancia en el Universo y tambin hemos
hablado un poco de lo que implica el que la materia del
Universo est casi toda en forma de plasma. Ms adelante veremos
el papel fundamental que desempean los plasmas en nuestro
Sistema Solar; en las teoras cosmolgicas y en las tecnologas
del
-
futuro, que pretenden lograr la fusin controlada, los
generadores
de haces de lser y otros ambiciosos proyectos. Ahora, confiando
en que el lector ya est convencido de lo importante que es
entender el comportamiento del plasma, vamos a describir en
trminos generales este comportamiento. Pero antes, un poco de
informacin histrica.
EL DESCUBRIMIENTO DEL ESTADO DE PLASMA
El concepto moderno del plasma es de origen reciente y se
remonta
apenas al inicio de la dcada de los cincuenta. Sin embargo,
desde hace ms de tres siglos los cientficos, sin saberlo, han
experimentado con plasmas. Ya en 1667 unos miembros de la
Academia de Ciencias de Florencia descubrieron que la llama de
un
mechero (que ahora sabemos que es un plasma) tena la propiedad
de inducir la electricidad. En 1698 un cientfico ingls que
estudiaba la electrificacin del mbar frotndolo con asiduidad provoc
la
primera chispa de que se tiene noticia, una pequea descarga
elctrica en el aire. Semejante descarga slo es posible cuando
se
crea una cantidad suficiente de cargas elctricas, iones y
electrones libres en el aire como para que ste se convierta en un
gas
conductor de la electricidad: un plasma. Casi cincuenta aos
despus se produjeron descargas elctricas ms intensas con ayuda
de la botella de Leyden; a comienzos del siglo XIX se descubri
la
descarga de arco y desde la dcada de 1830 el cientfico ingls
Michael Faraday ya experimentaba sistemticamente con descargas.
Pero no fue sino hasta 1879 que se reconoci al estado
de plasma como un estado particular de la materia, distinto de
los dems. El fsico ingls William Crookes, al experimentar con
descargas elctricas en gases, se dio cuenta de que el gas en
donde
se estableca la descarga se comportaba sustancialmente diferente
que un gas regular y sugiri la existencia de un nuevo estado al
cual llam el cuarto estado de la materia.
En 1923, el qumico estadunidense Irving Langmuir empez a
investigar concienzudamente las descargas elctricas en los
gases, cuando ya se saba que stas ionizaban a los tomos del gas;
en
1929 us por primera vez el trmino plasma en el informe de un
trabajo que realizaba con otro cientfico estadunidense, Levy Tonks,
para describir la nube rojiza de electrones que vea oscilar en
el
interior del gas durante la descarga. Esta nube de electrones
brillaba y se mova como una sustancia gelatinosa que record a
Langmuir el plasma de la sangre. Fue Langmuir tambin el primero
en notar la separacin de plasmas de diferentes densidades,
temperaturas o intensidades magnticas en regiones semejantes a
las clulas, separadas por corrientes elctricas.
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En 1936, el fsico sovitico Lev Landau, uno de los ms grandes
cientficos del siglo XXdesarroll la teora estadstica que
describe el
plasma y en 1942, el extraordinario cientfico sueco Hannes
Alfvn
(ganador del premio Nobel de fsica en 1970) desarroll las
ecuaciones que describen el movimiento de un fluido elctrico en
presencia de campos magnticos. Tiempo despus, el mismo Landau
describi matemticamente la interaccin entre las
partculas y las ondas en un plasma, la cual es muy importante
para el entendimiento de los plasmas calientes tanto en las
estrellas
como en el laboratorio. Se considera que la fsica de plasmas
moderna naci con estos trabajos. Sin embargo, no fue sino hasta
1952 cuando otros dos fsicos estadounidenses, David Bohm y
David Pines, consideraron por primera vez los movimientos
colectivos de los electrones en los metales, que la
aplicabilidad
general del concepto del plasma se apreci totalmente.
Durante los ltimos 40 aos la fsica de plasmas ha recibido un
enorme impulso desde muchos frentes y, sin embargo, todava hay
en ella muchos problemas sin resolver. Como los plasmas
reaccionan fuertemente a las fuerzas electromagnticas, su
comportamiento presenta una complejidad que excede por mucho a la
del comportamiento exhibido por la materia en los estados
slido,
lquido o gaseoso; as, el estudio de los plasmas constituye una
de las reas de mayor dificultad en la fsica de hoy.
MOVIMIENTOS COLECTIVOS
Una de las principales caractersticas de la materia en estado de
plasma es su capacidad de responder colectivamente a impulsos
internos y externos. Este comportamiento fue descrito por
primera vez por John Willian Strutt Rayleigh, a quien en 1906 se le
concedi
el ttulo de lord. Los movimientos colectivos del plasma son
consecuencia del gran alcance de las fuerzas electrostticas que
sienten entre s las partculas cargadas que lo componen. A la
fuerza entre dos partculas cargadas se le conoce como fuerza de
Coulomb, porque fue el fsico francs Charles Augustin Coulomb
quien en 1785 midi por primera vez la fuerza entre cargas
elctricas a diferentes distancias. Segn la relacin encontrada
por Coulomb:
Fe = q1q2 / r2,
lo que indica que la fuerza Fe depende de la magnitud de las
cargas (q1 y q2) de las partculas que interactan y del cuadrado de
la distancia (r) que las separa. Esta fuerza se incrementa al
aumentar
la carga de cualquiera de las partculas y disminuye al aumentar
la
-
distancia entre ellas. Sin embargo, aunque la fuerza disminuye
con
la distancia, para que se reduzca a cero, es necesario que la
distancia entre las cargas sea infinita. De esta manera, una
carga
elctrica sentir la presencia de otra a distancias muy
grandes.
De la experimentacin con cuerpos cargados elctricamente se
sabe
que las cargas del mismo signo (positivas con positivas o
negativas con negativas) se repelen, mientras que las de signos
diferentes se atraen (figura 4) La fuerza entre cargas elctricas es
muy
semejante a la fuerza gravitacional entre dos cuerpos masivos,
pero en este ltimo caso la fuerza entre dos masas siempre es de
atraccin, mientras que entre cargas la fuerza puede ser de
atraccin o de repulsin, dependiendo del signo de la carga.
Figura 4. Fuerza de atraccin (a) y de repulsin (b) entre cuerpos
cargados
elctricamente. Las cargas iguales se repelen; las cargas
opuestas se atraen.
Por otro lado, las fuerzas elctricas entre partculas son
mucho
mayores que sus fuerzas gravitacionales. Por ejemplo, entre un
protn y un electrn a una distancia cualquiera, la fuerza de
atraccin elctrica es 1039 veces mayor que la fuerza de
atraccin
gravitacional. El nmero 1039 es un 1 seguido de 39 ceros, un
nmero muy grande en realidad! De esta manera, las fuerzas
dominantes en el interior del plasma son las elctricas, las
cuales,
como ya dijimos, son de muy largo alcance. En el interior de un
gas compuesto por tomos o molculas neutras, las interacciones
entre
sus componentes slo se darn a distancias comparables a las
dimensiones geomtricas de los mismos. Pero en el interior de un
plasma las partculas interactan a distancias mucho mayores y de
esta manera, aun los plasmas de muy baja densidad funcionan de
manera cohesiva. Cada ion y cada electrn en el interior de un
plasma puede sentir la influencia de muchas partculas a su
alrededor, de manera que el comportamiento del plasma estar
determinado por interacciones colectivas y no solamente por la
interaccin entre dos partculas individuales.
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CUASINEUTRALIDAD DEL PLASMA
Puesto que en el plasma existe muy poca restriccin al movimiento
de las cargas, tiende a mantener un estado de neutralidad
elctrica
aun en regiones muy pequeas. Cualquier acumulacin de carga de un
solo signo en cierta regin del plasma producir una fuerza
atractiva para las cargas opuestas lo suficientemente grande
como para recuperar el equilibrio de la carga elctrica casi
instantneamente. De esta manera, si el plasma no es forzado por
campos elctricos o magnticos muy intensos a mantener
acumulaciones locales de carga, permanecer en un estado
de cuasineutralidad, esto es, un estado en el que la
concentracin de cargas positivas ser prcticamente igual a la
concentracin de
cargas negativas, aun en pequeas regiones del espacio.
Los movimientos colectivos y la cuasineutralidad son
fundamentales para el estado de plasma, al grado que suele
definirse al plasma
como un sistema cuasineutro constituido por un gran nmero de
partculas cargadas que exhiben movimientos colectivos.
LA DISTANCIA DE DEBYE
Aunque el alcance de la fuerza elctrica entre dos cargas en el
espacio vaco es infinito, en el interior del plasma ste se
reduce
debido a la presencia de las dems cargas de signo contrario que
rodean cualquier carga. Imaginemos un ion positivo en un plasma
debido a la fuerza de Coulomb, toda una nube de electrones
negativos ser atrada hacia ese ion. Estos electrones formarn
alrededor del ion una coraza de carga contraria que impedir que
la carga de este ion sea sentida por cargas ms lejanas. Lo
mismo
ocurrir con los electrones y de esta manera se genera un efecto
de apantallamiento, que limita el alcance real de la atraccin o
repulsin de cada carga hacia sus vecinas. Esta distancia, que
podramos definir como el radio de la esfera real de influencia de
cada carga dentro del plasma se conoce como la distancia de
Debye o la longitud de Debye. Debe su nombre al fsico holands
Peter Debye, quien fue el primero en reconocer este efecto para
aplicar el movimiento de los iones en la solucin de un
electrolito. Esta distancia est dada por:
D= [ ( kt ) / ( 4ne2 )] 1/2
donde k es una constante (k=1.38 x 10-23 Joules/K), llamada
la
constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta del plasma
en grados Kelvin), n es el nmero de cargas (positivas o
negativas)
por metro cbico y e (= 1.6 x 10-19 Coulombs) es la carga del
electrn. Esto puede ponerse tambin as:
-
D = 69 x (T/n) m .
De esta manera, la distancia de Debye crece al aumentar la
temperatura (pues en los gases ms calientes las partculas se mueven
ms rpidamente y entonces el apantallamiento es menos
efectivo) y disminuye al aumentar la densidad de las cargas
(pues cuando hay una gran densidad de cargas el apantallamiento
es
mayor). Es importante hacer notar que es precisamente la
temperatura (el movimiento agitado de los elementos del plasma)
la que impide que las cargas se recombinen para formar tomos o
molculas neutras. Los plasmas fros slo pueden mantenerse a
muy baja densidad, como los interestelares e intergalcticos, ya
que en ese caso tampoco es muy probable que haya
recombinaciones. Aunque no se ha demostrado que esta relacin
pueda aplicarse en el interior de un gas ionizado, la distancia de
Debye es un buen indicador de la distancia a la cual domina la
influencia de cada partcula.
Como cada partcula tiene su propia esfera de Debye, es de
esperar
que estas esferas se traslapen y de esta manera el plasma va a
responder colectivamente. Como ya mencionamos, la distancia de
Debye aumenta al disminuir la densidad; sin embargo, si la
densidad de carga en un gas ionizado es tan baja que no hay
suficientes cargas en las dimensiones del plasma como para
garantizar un comportamiento colectivo, este gas ionizado no ser
un plasma. Es fcil ver que en este caso tampoco podr obtenerse
la condicin de cuasineutralidad. De hecho, para que un plasma
exista es necesario que las dimensiones del espacio ocupado por
el
plasma sean mucho mayores que la longitud de Debye. Por ejemplo,
en el medio interplanetario, la densidad de electrones (y
de iones) es de 10 por centmetro cbico. En las dimensiones
espaciales este medio se comporta como un plasma y presenta
toda
la gama de interesantes procesos que caracterizan a los plasmas.
Pero si en una botella de laboratorio colocamos un gas formado
por
iones y electrones con una densidad de 10 por cm, tendramos un
vaco prcticamente perfecto del cual no podramos obtener
ninguna respuesta. sta representa una de las dificultades para
experimentar con plasmas pues no son escalables, y en general
los
prototipos de laboratorio no se comportarn como los enormes
sistemas naturales.
OSCILACIONES DEL PLASMA
Uno de los movimientos colectivos ms rpidos e importantes
dentro de un plasma es la oscilacin de los electrones respecto a
los iones. Estas oscilaciones se producen cuando se viola la
-
cuasineutralidad del plasma y las fuerzas electrostticas entran
en
accin como una fuerza restauradora. Como los iones son muchsimo
ms masivos que los electrones (los iones ms ligeros,
los protones son casi dos mil veces ms masivos que los
electrones) casi no se van a mover y la oscilacin ms notable es la
de los
electrones. La frecuencia de esta oscilacin est dada por:
v = (ne2 / me ) ,
donde me es la masa del electrn (me = 9.1 x 10-31kg).
Entonces,
v = 8.97 x 106 n Hertz
y, como puede verse, solamente depende de la densidad de
electrones.
Estas oscilaciones son tan caractersticas que se les conoce como
oscilaciones del plasma y a su frecuencia se le llama frecuencia
del
plasma. Sin embargo, cuando el plasma est atravesado por un
campo magntico, que es el caso general en los plasmas
espaciales,
pueden ocurrir muchos otros tipos de oscilaciones.
INESTABILIDADES
El comportamiento colectivo de los plasmas no siempre es
estable. De hecho, el plasma es un sistema muy inestable. Si dentro
del
comportamiento colectivo ocurre una alteracin local, es posible
que sta sea slo una fluctuacin que desaparezca rpidamente; en
este caso se dice que el sistema est en equilibrio estable. Pero
en los plasmas es muy comn que la desorganizacin cunda de
manera que el comportamiento desordenado del plasma se extienda,
crezca y destruya, finalmente, cualquier estructura
organizada. En el plasma existen muchas inestabilidades ya
clasificadas y una buena parte de la investigacin en la fsica de
los
plasmas consiste en entender mejor estas inestabilidades y
encontrar la manera de controlarlas con la ayuda de campos
magnticos.
PROPIEDADES ELECTROMAGNTICAS DEL PLASMA
Como ya mencionamos, un gas es normalmente un buen aislante
elctrico, la corriente no puede pasar fcilmente a travs de l.
Sin embargo, si el gas tiene suficientes cargas libres como para
ser un plasma ste se vuelve un buen conductor elctrico, pues en
esta
situacin los electrones libres transportan la corriente con
facilidad. As, el plasma responde fcilmente a la imposicin de
campos
elctricos externos y tambin a la de campos magnticos.
-
Una partcula cargada en el interior de un campo elctrico
experimenta una fuerza que la acelera en la direccin del campo
si la partcula tiene carga positiva, o en direccin contraria si
la
partcula tiene carga negativa. Ante la presencia de un campo
magntico, el movimiento de una partcula cargada es ms
complicado, pero en general, si la partcula tiene poca energa
describir una hlice alrededor de las lneas de campo y puede
sufrir derivas que la lleven a travs de las lneas. Las partculas
positivas girarn en un sentido, mientras que las negativas
girarn
en sentido inverso (figura 5). Algunas derivas dependen de la
carga, por lo que llevarn a unas partculas hacia una direccin y
a
las de carga contraria a la direccin opuesta; pero otras no
dependen de la carga y mueven ambos tipos de partculas en la
misma direccin.
Figura 5. Las partculas cargadas giran a lo largo de las lneas
del campo
magntico. Las partculas positivas giran en un sentido y las
negativas en el
sentido opuesto. Como los iones tienen mayor masa que los
electrones, su
radio de giro ser mayor.
Pero as como el plasma responde a la presencia de campos
electromagnticos impuestos externamente, en su interior l mismo
tambin genera este tipo de campos. Una partcula cargada genera
un campo elctrico a su alrededor (el campo de fuerza de Coulomb
que ya mencionamos) y una partcula cargada en movimiento (que
equivale a una corriente elctrica) genera tambin un campo
magntico. Puesto que el plasma consiste en partculas cargadas
que se mueven, en su interior se encuentran campos
electromagnticos. En este sentido, el estado de plasma es nico
ya
que interacta con los campos electromagnticos impuestos desde el
exterior y con los suyos propios. Entonces, la respuesta de un
plasma a la imposicin de campos electromagnticos externos
generar a su vez otros campos electromagnticos que, si el
-
plasma es muy denso o se mueve con gran velocidad, puede
causar
grandes deformaciones al campo originalmente impuesto.
Aunque el comportamiento colectivo de las partculas cargadas
en
los campos electromagnticos estaba ya implcito en los
estudios
hechos por Faraday y por Ampre en el siglo XIX, no fue sino
hasta
la dcada de 1930, al descubrirse fenmenos solares y geofsicos
en
los que aparece esta interaccin, que se empezaron a considerar
muchos de los problemas bsicos de la interaccin entre gases
ionizados y campos electromagnticos. En la experimentacin con
gases en el laboratorio con propsitos tecnolgicos se usan
campos
magnticos intensos para "ordenar" al plasma, controlar sus
inestabilidades, confiarlo a ciertas regiones, empujarlo en una
direccin especfica, etc., utilizando precisamente esta fuerte
interaccin.
CAMPOS CONGELADOS
Una propiedad muy interesante de los plasmas, cuando se
comportan como fluidos con gran conductividad elctrica, es que
no
admiten cambios del flujo magntico en su interior. Esto trae
como consecuencia que puedan ser confinados por campos magnticos
intensos; pero cuando la densidad y la velocidad del plasma son
muy grandes, ser el movimiento del plasma el que domine a la
estructura del campo. En esta situacin, si el plasma fluye muy
rpidamente desde cierta regin donde hay un campo magntico que es
incapaz de contenerlo (como es el caso del viento solar, que
veremos en el captulo siguiente), entonces arrastrar consigo al
plasma para impedir que cambie el flujo magntico en su
interior.
Entonces se dice que el plasma transporta al campo
magnticocongelado en su interior. sta es una situacin que se da
con bastante frecuencia en los plasmas espaciales.
CLULAS Y FILAMENTOS DE PLASMA
Por la misma propiedad de que no aceptan cambios de flujo
magntico en su interior; dos plasmas magnetizados pueden
coexistir pacficamente sin mezclarse pues ninguno penetra al
otro
arrastrando su campo magntico. De esta manera se forman
estructurascelulares (parceladas) en las que existir un equilibrio
de presiones en la frontera, pero cada una de las clulas puede
contener plasma y campos magnticos con caractersticas muy
diferentes a las de las dems. En los plasmas espaciales hay muy
bellos e impresionantes ejemplos de esta situacin.
Pero adems de la morfologa celular; los plasmas
frecuentemente
muestran una estructura filamentaria. Esta estructura se
deriva
-
tambin del hecho de que los plasmas, debido a sus electrones
libres, son muy buenos conductores de electricidad. Dondequiera
que las partculas cargadas fluyan en un medio neutralizante,
como
electrones libres en un fondo de iones, el flujo de partculas
cargadas (corriente) produce un anillo de campo magntico
alrededor de la corriente. Este anillo presiona al plasma a
formar hatos multifilamentarios.
FOTONES EN EL PLASMA
En las interacciones entre las partculas cargadas y los campos
electromagnticos en un plasma caliente (como en las atmsferas
de las estrellas) se producen fotones. stos son paquetes de
energa electromagntica, como la luz, los rayos X y los rayos ,
los
cuales son absorbidos y emitidos dentro del plasma. Algunos
de
ellos tambin logran escapar; con lo que enfran al plasma. Este
proceso, que es inevitable, es una de las dificultades para
mantener
plasmas a altas temperaturas en el laboratorio. La poblacin de
fotones es tan inherente a los plasmas calientes que en estos
casos
suele definirse al plasma mismo como una mezcla de molculas o
tomos neutros, iones, electrones y fotones.
TRATAMIENTO TERICO DE LOS PLASMAS
La forma en que un plasma va a comportarse se puede deducir; en
principio, de las interacciones de todas las partculas.
Evidentemente este procedimiento, que proporcionara lo que se
conoce como la teora cintica del estado de plasma, es muy
difcil
de llevar a cabo, dada la gran cantidad de partculas que
componen al plasma. Sin embargo, ya en 1905 el fsico holands
Hendrik
Antoon Lorentz aplic al estudio del comportamiento de los
electrones en los metales los mtodos estadsticos que el fsico
austriaco Ludwig Eduard Boltzmann desarroll para los tomos en
movimiento aleatorio que componen un gas. En este tipo de
tratamientos, el comportamiento macroscpico (a gran escala) del
plasma se describe estadsticamente calculando las probabilidades
de que el plasma se encuentre en diversos estados en el nivel
microscpico, determinados por las posiciones y las velocidades
de todas las partculas. Las caractersticas macroscpicas
(mensurables) del plasma, como su presin, temperatura, densidad
y los campos electromagnticos en su seno se derivan
estadsticamente a partir de esta descripcin microscpica. Varios
fsicos y matemticos en las dcadas de 1930 y 1940 desarrollaron
ya propiamente la teora cintica del plasma hasta un alto grado
de complejidad y en las dcadas subsiguientes este enfoque se ha
desarrollado cada vez ms.
-
Pero por fortuna, en muchas ocasiones el comportamiento del
plasma puede considerarse como el de un fluido y entonces se le
aplican las leyes de la hidrodinmica; as las caractersticas
macroscpicas antes mencionadas (presin, temperatura y densidad)
se tratan de manera directa, sin ningn contexto
microscpico estadstico de partculas en movimiento. Pero como los
plasmas son sensibles a los campos elctricos y magnticos
deben obedecer tambin las leyes del electromagnetismo. Esta
combinacin de hidrodinmica y electromagnetismo se
llama magnetohidrodinmica y estudia el comportamiento de fluidos
conductores en presencia de campos electromagnticos. As, en
muchos casos el comportamiento de un plasma se estudia
utilizando las ecuaciones de la magnetohidrodinmica o MHD.
El
conjunto de ecuaciones que representan a la MHD es tambin
bastante complicado, pero ms fcil de manejar que el enfoque
cintico.
UN MISTERIO NO RESUELTO
Es de esperarse que un plasma de muy alta densidad se comporte
como un fluido, y as es en efecto. Pero lo sorprendente con los
plasmas es que aun los de muy baja densidad se comportan de esta
manera. Los plasmas espaciales estn en general tan diluidos que
la distancia que en promedio recorre una partcula antes de
interactuar con otra (sucamino libre medio) es del orden de las
dimensiones del sistema. A este tipo de plasmas se les denomina
plasmas sin colisiones. El plasma de la corona solar; que se
extiende por todo el Sistema Solar, es ya un plasma sin
colisiones desde una distancia muy cercana al Sol y conforme se
expande se diluye cada vez ms.
Sin embargo, estos plasmas sin colisiones no son un conjunto de
partculas desconectadas, sino que se comportan tambin como
fluidos. En el caso de la corona, la explicacin radica en que el
plasma coronal (que llena todo el medio interplanetario) est
penetrado por un campo magntico cuyas lneas sirven en cierto
modo de "enlace" entre las partculas del plasma. Esto mismo se
aplica a todos los plasmas espaciales (interestelares e
intergalcticos), que si bien son sumamente enrarecidos, a todos
ellos los penetran campos magnticos. La presencia del campo
magntico es tan universal como la presencia del plasma y
contribuye al comportamiento fluido de los enrarecidos plasmas
espaciales.
Aunque no existe una derivacin terica formal que justifique esta
explicacin, es suficientemente plausible e incluso se puede
cuantificar en qu condiciones ya no funcionara, cuando el
plasma
-
dejara de ser un fluido. Sin embargo, lo sorprendente es que
aun
en las condiciones en que no se espera que el campo magntico
siga funcionando como amalgama para el plasma, ste presenta un
comportamiento fluido. Se piensa que debe haber un tipo de
interaccin entre las ondas que se propagan en el plasma y las
partculas que lo componen (una interaccin onda-partcula) que
"informa" a unas partculas lo que les est pasando a las otras,
de
manera que puedan responder en forma conjunta sin embargo, esta
hiptesis no se ha comprobado mediante la observacin ni se ha
desarrollado en forma terica y la explicacin del obstinado
comportamiento fluido de los plasmas incluso a densidades
bajsimas, es uno de los problemas que todava estn por resolverse
en la fsica del plasma.
PLASMA EN LA ATMOSFERA
EN LOS ltimos 30 aos la astronoma de emisiones
electromagnticas de altas energas (ultravioleta, X y gamma), la
radioastronoma y el sondeo de regiones espaciales in situcon
medidores de partculas y de campos nos han mostrado una imagen
del Sistema Solar muy diferente de la que se tena anteriormente,
hacindonos ver que estamos rodeados de plasmas por todas
partes. Hemos descubierto que esta presencia del plasma es
universal y el universo de plasma, en muchos aspectos muy
distinto
del que se haba descrito anteriormente, est apenas empezando a
definirse. Uno de los propsitos principales de este libro es
mostrar
la gran abundancia de los plasmas naturales y describir las
caractersticas generales de esos plasmas que llenan el espacio
o
que componen o rodean los cuerpos que lo pueblan. En los
siguientes captulos realizaremos un viaje hacia el exterior para
ir
descubriendo los plasmas que nos encontramos al alejarnos de la
superficie de la Tierra. Empezaremos por los entornos
plasmticos
de nuestro planeta y los dems planetas, describiremos despus el
plasma solar y el interplanetario y finalmente mencionaremos las
estructuras de plasma que se encuentran fuera de nuestro
sistema
planetario y los plasmas que llenan los espacios interestelar e
intergalctico.
Las observaciones directas de los plasmas cercanos a la Tierra
son un excelente laboratorio para conocer el comportamiento de
los
plasmas ms distantes, pues los plasmas del Sistema solar no
slo
-
cubren un amplio rango de densidades, temperaturas y
magnetizaciones, sino que presentan tambin una rica variedad de
fenmenos desde sencillos hasta muy complejos. Por otra parte,
estas observaciones constituyen tambin la nica forma de apreciar
ciertos fenmenos en los plasmas espaciales que no son
reproducibles en un laboratorio terrestre.
LAS AURORAS
La ms cercana manifestacin visible de los plasmas en la
naturaleza es la aurora, los hermosos despliegues de luces
danzarinas que se presentan en gran variedad de formas y que
adornan la alta atmsfera en las regiones cercanas a los polos
(figura 6). Estas luces, que generalmente son de color amarillo
verdoso, se ven casi todas las noches claras y su intensidad es
suficiente como para poder leer. Por lo general, a travs de los
despliegues aurorales se transparentan las estrellas, pero
cuando
son muy brillantes ocultan la presencia de la Va Lctea en el
cielo. Aunque durante el da no se distinguen, el resplandor del
cielo
permanece en realidad todo el tiempo.
Figura 6. Fotografa de una aurora boreal. Aunque aqu no puede
apreciarse,
todas las luces de una aurora estn en continuo movimiento.
Este bello fenmeno natural ha cautivado la imaginacin del
hombre desde tiempo inmemorial y ha originado muchos mitos para
explicar su origen en trminos comprensibles al entorno cultural.
La
aparicin de las auroras desempea un papel muy importante en las
mitologas esquimal, escandinava y de otras naciones de alta
latitud en el norte del planeta. Una bella leyenda escandinava
asocia la aurora con la agitacin que se produce en los cielos
cuando las zorras mueven sus colas. En el sur, los aborgenes
australianos creen que este plasma danzante representa la danza
-
de los dioses, y los nativos del sur de la India creen que la
aurora
es un mensaje del dios Buda.
La aurora del hemisferio norte fue nombrada aurora boreal
(luces
del norte) por el cientfico francs Pierre Gassendi en 1621,
quien fue el primero en hacer observaciones aurorales sistemticas.
La
aurora del sur fue nombrada aurora austral (luces del sur) por
el capitn James Cook en 1773, cuando la observ por primera vez en
el Ocano ndico. Ya los filsofos griegos consideraban a la
aurora
del norte como un fenmeno natural, y la asociaban con el reflejo
de la luz en los hielos polares. Pero la investigacin moderna de
la
aurora empez en 1716, cuando Edmond Halley sugiri una cercana
correlacin entre la aurora y el campo magntico de la Tierra, al
darse cuenta de que los rayos aurorales trazaban las lneas
del
campo magntico sobre la superficie. A mediados del siglo
XVII,De
Mairan, mostrando una notable intuicin respecto al fenmeno
auroral, afirm que las auroras eran causadas por un gas de
origen
solar que penetra a la atmsfera. De acuerdo con esta idea, dijo
que las auroras deberan tambin ocurrir en el hemisferio sur;
como
efectivamente observ posteriormente Cook. En 1784 el cientfico
ingls Henry Cavendish descubri la composicin qumica de la atmsfera
y calcul aproximadamente la altura del fenmeno
auroral, la cual estim entre cien y varios cientos de kilmetros,
y
durante el siglo XIX se empezaron a hacer mapas de las zonas
de
mxima ocurrencia auroral.
Sin embargo, los fundamentos de los estudios aurorales como
ahora se realizan no se establecieron sino hasta finales del
siglo
pasado, a partir del descubrimiento del electrn por J. J.
Thompson y de la manera como afectan los campos elctricos y
magnticos a
las partculas cargadas. En 1896, Birkeland sugiri que las
auroras resultan de que electrones de origen solar son guiados
hacia los
polos de la Tierra por las lneas del campo geomagntico. Llev a
cabo experimentos de laboratorio con una pequea esfera
magnetizada que tena una superficie fluorescente, a la que llam
terrella (tierrita), sobre la que haca incidir electrones para
observar su comportamiento. Con estos experimentos se observ por
primera vez en laboratorio la aparicin de las regiones
aurorales
sobre laterrella. Intrigado por estos experimentos, Carl Stormer
inici en 1904 estudios matemticos del movimiento de partculas
cargadas en el campo magntico de un dipolo (como el de un imn de
barra). Sin la ayuda de computadoras llev a cabo clculos muy largos
y tediosos, pero logr demostrar que era correcta la
interpretacin de Birkeland.
Sin embargo, esta opinin de Stormer y de Birkeland de que el
Sol
arrojaba chorros de electrones fue muy criticada, y en 1919
-
Lindeman sugiri que lo que provena del Sol deberan ser
chorros
neutros de gas solar ionizado (plasma). Los estudios de la
interaccin de estos chorros de plasma con el campo magntico de
la Tierra se iniciaron en la dcada de 1930, pero fue slo a
partir del desarrollo de la fsica de plasmas y la
magnetohidrodinmica,
con los trabajos fundamentales de Hannes Alfvn alrededor de
1940, que este familiar espectculo ha empezado realmente a
comprenderse.
Las auroras ocurren tpicamente en dos regiones anulares, casi
circulares, de pequea extensin latitudinal, alrededor de cada
polo
geomagntico. Estos polos geomagnticos, que podramos considerar
como las intersecciones del eje del campo magntico
dipolar terrestre con la superficie de la Tierra (figura 7), son
cercanos a los polos geogrficos pero no coinciden con ellos. El
polo
norte geomagntico (que en realidad es el polo sur de un imn) se
localiza cerca del extremo noroeste de Groenlandia y el polo
sur
(que es un polo norte magntico) cerca de la estacin sovitica
Vostok en la Antrtida.
-
Figura 7. El campo magntico de la tierra es semejante al de un
imn, pero no
est alineado con el eje de rotacin. Los polos geomagnticos no
coinciden
con los polos geogrficos.
Las regiones donde se producen las auroras se conocen como valos
aurorales y estn fijas en el espacio respecto al Sol, de
manera que la Tierra gira bajo ellas una vez al da. Cada valo
tiene un radio aproximado de 2 000 kilmetros (aunque ste vara segn
la intensidad de la aurora) y son excntricos respecto a los
polos,
esto es, su centro est corrido unos cuantos grados hacia lo que
se llama el lado noche, es decir; el lado opuesto al Sol (figura
8). As,
-
la porcin noche se encuentra alrededor de los 67 de latitud
magntica, mientras que la porcin de da est alrededor de los 76
de latitud. Como puede verse, contrariamente a la creencia
comn,
las auroras no ocurren en los polos, sino que el valo deja libre
una regin de latitudes ms altas, lo que se conoce como
elcasquete
polar.
Figura 8. Fotografas de la evolucin de una aurora en el
hemisferio norte,
tomadas desde satlites.
Ahora ya se sabe que las columnas de luz de las auroras son
causadas por la precipitacin de electrones y iones
(principalmente protones) de alta velocidad sobre la atmsfera
superior; las cuales
penetran a lo largo de las lneas del campo magntico de la Tierra
y excitan y ionizan a los tomos y disocian a las molculas del
aire.
Las desexcitaciones y recombinaciones de los tomos y molculas
son responsables de las luces emitidas. Como los electrones son
mucho ms pequeos que los iones logran penetrar ms la
atmsfera y dominan en nmero a los iones por un factor de 50,
generalmente. Aunque el espectro auroral es bastante complejo y
consiste de un gran nmero de lneas y bandas espectrales, unas
cuantas lneas son especialmente conspicuas. La ms dominante,
tanto que se le ha llamado lnea auroral, est en la parte
amarilla del espectro, muy cerca de la longitud de onda a la que es
ms
sensible el ojo humano. sta es, por mucho, la lnea ms intensa en
el espectro visible, pero hay muchas lneas de emisin an ms
intensa en el infrarrojo. Auroras muy energticas, que se salen
del valo auroral normal y alcanzan latitudes ms bajas, tienen
con
frecuencia un color rojo debido al oxgeno, y auroras que
alcanzan alturas bajas, debido tambin a una mayor energa de las
partculas
que penetran, a menudo presentan un borde inferior rojo causado
por las emisiones de las molculas de nitrgeno.
-
De los experimentos de laboratorio es bien sabido que los
plasmas
que transportan corrientes tienden a romperse en filamentos. Una
hermosa muestra a gran escala de esta estructura filamentaria
se
ve en las auroras. Las partculas cargadas fluyen hacia abajo en
la atmsfera en hojas a lo largo del campo magntico. Estas hojas
de
corriente elctrica se filamentan para formar cortinas de luz que
ondulan rpidamente, constituyendo el despliegue auroral. Aun a
simple vista, las auroras muestran claramente esta caracterstica
tan persistente en el universo de plasma: su tendencia a formar
estructuras filamentarias.
El tamao y la forma de los valos aurorales dependen del estado
de perturbacin del campo geomagntico, el cual a su vez est
condicionado por la emisin del plasma solar; como veremos ms
adelante. Ya desde 1741, Hiorter y Celsius hicieron notar que
la
aurora se intensifica y puede observarse a ms bajas latitudes
cuando hay perturbaciones magnticas intensas o tormentas
geomagnticas (llamadas as por A. von Humboldt en 1806). En altas
latitudes el resplandor auroral es un fenmeno permanente,
pero asociado con tormentas geomagnticas las auroras se
intensifican, se activan y llegan a verse ms cerca de los polos y
a
latitudes medias y bajas. En Mxico se han observado auroras en
forma de extensos velos en momentos de muy alta actividad
geomagntica, como sucedi en 1957 y ms recientemente en
1989.
Durante las auroras, hay ocasiones en que el plasma emite
ondas
de radio con frecuencias entre 30 y 3 000 megahertz; en estos
casos se habla de una radio aurora.Tambin se han registrado
emisiones espordicas de seales de radio de muy alta frecuencia a
las que se ha dado el pintoresco nombre de "silbidos aurorales"
y
que parecen deberse ms bien a los electrones que se precipitan.
El mecanismo fsico que produce esta radiacin no est an muy bien
entendido. Hannes Alfvn explica su origen como resultado de la
existencia de capas dobles de plasma. Aunque el plasma est en un
estado de cuasineutralidad, en algunas ocasiones, cuando est
inmerso en l un campo magntico (que es el caso de todos los
plasmas naturales), es posible que se formen dos capas
contiguas
con acumulacin de iones y electrones, respectivamente. Estas
capas se encuentran dentro del plasma y estn separadas entre s
por una distancia del orden de la distancia de Debye. En esa
regin se generan, pues, campos elctricos muy intensos capaces
de
acelerar partculas cargadas. Durante las auroras hay corrientes
elctricas que bajan hacia la atmsfera a lo largo de las lneas
del
campo geomagntico y se supone que las ondas de radio son
generadas como resultado de inestabilidades del plasma con sus
-
capas dobles y sus corrientes elctricas. Aunque la presencia
de
estas capas dobles no se ha podido corroborar en nuestra
atmsfera, s se ha observado en experimentos de laboratorio para
una gran variedad de plasmas en un amplio rango de densidades y
temperaturas. Pero a pesar de que Irving Langmuir habl acerca
de
la existencia de estas capas dobles desde su primera publicacin
sobre plasmas, hasta ahora estas estructuras no estn bien
entendidas.
Para la fsica de plasmas el estudio de la aurora ha resultado
ser no slo fascinante sino enormemente enriquecedor; ya que su
entendimiento requiere de la solucin de problemas fsicos
fundamentales que seguramente tienen tambin lugar en todo
nuestro universo de plasma. A pesar de que la aurora es el
fenmeno de plasma natural que se ha observado desde hace ms
tiempo, su complejidad sigue desafiando las explicaciones, pues
mientras ms se estudia se encuentran en ella nuevos efectos de
plasma. Hoy en da, para estudiar la aurora se combinan
mediciones locales realizadas por satlites encima de la
atmsfera,
con datos de percepcin remota (principalmente en el
ultravioleta) de toda la zona auroral y con observaciones desde
tierra. Toda esta
informacin se utiliza para alimentar modelos tericos que
intentan describir el fenmeno auroral. Sin embargo, aunque se sabe
que las partculas que se precipitan para formar la aurora provienen
de
fuera, del plasma con que el Sol llena el medio interplanetario,
la forma como estas partculas penetran y son aceleradas hasta
energas a las cuales se precipitan sigue siendo un problema
abierto. Esta aceleracin de partculas hasta muy altas energas
es
una caracterstica muy notable y generalizada en el Universo,
tanto en los plasmas como en los astrofsicos.
Por otra parte, se ha sugerido recientemente que la aurora (y
por lo tanto el estado de plasma) puede incluso haber sido
responsable del surgimiento de la vida en la Tierra. Algunos
cientficos suponen
que el proceso auroral en la atmsfera superior de la Tierra
primitiva pudo haber proporcionado el ambiente reactivo
necesario
para algunas sntesis qumicas determinantes. De esta manera, el
cuarto estado de la materia, que ahora se ha convertido en el
eje
central de la nueva astrofsica, tal vez tambin pase a ser parte
importante de los estudios de la vida.
LA IONOSFERA.
Yendo hacia fuera de nuestro planeta, el primer establecimiento
permanente de plasma con que nos encontramos es
la ionosfera. Todos los cuerpos del sistema solar que tienen
atmsfera (esto es, una envoltura gaseosa) tienen una ionosfera,
la
-
cual no es mas que la parte exterior de la atmsfera, ionizada
por
la luz solar de alta frecuencia. Los fotones solares (
principalmente en la regin utravioleta) arrancan electrones de los
tomos que
componen las molculas de los gases de la atmsfera y la
convierten en un plasma donde iones y electrones estn
separados.
Tambin a los cometas, que al acercarse al Sol sufren una
vaporizacin que los rodea de una atmsfera, se les forma una
ionosfera que, como veremos despus, desempe un papel muy
importante en el descubrimiento del plasma que sale del Sol.
La existencia de la ionosfera terrestre fue postulada mucho
antes
de que pudiera sondearse directamente. Desde 1839, el fsico y
matemtico alemn Carl Friedrich Gauss afirm que debera haber
una capa elctricamente conductora en la atmsfera superior; lo
cual explicara las variaciones diurnas que sufre el campo
magntico de la Tierra. En 1860, Kelvin hizo la misma sugerencia,
y en 1882 el fsico escocs Balfour Stewart elabor un artculo ya
ms
detallado acerca de esta capa y el cual se considera como el
punto de partida de la fsica ionosfrica.
Posteriormente un nuevo efecto, descubierto a raz de los
avances
en las comunicaciones por radio, vino a reforzar esta conviccin
y condujo finalmente a la demostracin de la existencia de esta
capa
ionizada de la alta atmsfera. En 1901, el cientfico y tcnico
italiano Guglielmo Marconi, quien hizo posible las
comunicaciones
por radio, estableci un sistema de comunicacin de Inglaterra a
Estados Unidos a travs del Ocano Atlntico. Las ondas de radio,
como ya mencionamos, son ondas electromagnticas como la luz, slo
que de longitud de onda mucho ms larga y, al igual que la luz,
viajan en lnea recta. como la Tierra es una esfera, una onda que
viajara en lnea recta no podra ser recibida muy lejos en la
superficie (figura 9(a)) y ciertamente no podra dar la vuelta
para llegar al otro lado del Ocano Atlntico, sin embargo lo hacan,
y las comunicaciones trasatlnticas estaban ocurriendo. Un ao
despus,
en 1902, el ingeniero fsico ingls Oliver Heaviside y el
ingeniero elctrico de origen hind Arthur Edwin Kennely,
sugirieron
independientemente la presencia de una capa en la alta atmsfera
que reflejaba las ondas de radio y las llevaba a puntos muy
lejanos
sobre la Tierra (figura 9(b)). Esta capa debera ser
elctricamente conductora, como lo requera la explicacin de las
variaciones del
campo magntico de la Tierra.
-
Figura 9. Las ondas de radio viajan en lnea recta. Si no
existiera la ionosfera
(a), sera imposible comunicarse con puntos lejanos debido a la
curvatura de
la tierra. Pero como la ionosfera es una capa reflectora de
estas ondas (b), es
posible comunicarse con lugares que estn por debajo del
horizonte.
Poco tiempo despus del descubrimiento del electrn por J. J.
Thomson, Taylor propuso, en 1903, que esta capa debera estar
compuesta por iones y electrones libres y que la ionizacin de
los
tomos era producida por la radiacin ultravioleta del Sol. El
escepticismo respecto a esta capa elctricamente conductora fue
finalmente derrotado con la demostracin experimental de la
existencia de una regin de plasma en la atmsfera superior; a la
que se llam ionosfera. Esta demostracin fue obtenida en forma
concluyente en 1925 por el geofsico estadunidense Merle Anthony
Tuve y el fsico de origen ruso Gregory Breit, quienes empezaron
a observar repetidamente la reflexin de ondas de radio en la
atmsfera. En forma independiente, el cientfico ingls Edward
Victor Appleton estudi extensamente la ionosfera y determin la
altura de la capa reflectora de las ondas de radio, llamada ahora
la
capa de Appleton. Junto con Hartree, demostr y model
matemticamente el efecto del campo geomagntico sobre la
reflexin de las ondas de radio en la ionosfera al principio de
la dcada de 1930 y en 1947 recibi el premio Nobel de fsica por
estos estudios. Los trabajos de Appleton hicieron posible que se
obtuvieran radiocomunicaciones de ms largo alcance y mayor
confiabilidad y contribuyeron posteriormente al desarrollo del
radar.
La razn por la cual las ondas de radio son reflejadas por la
ionosfera tiene que ver con las oscilaciones propias del
plasma.
Como ya mencionamos en el captulo anterior; un plasma tiene una
frecuencia natural de oscilacin que depende exclusivamente de
su
densidad de electrones; a una mayor densidad electrnica le
corresponde una frecuencia ms alta. Cuando una onda
-
electromagntica (que es un arreglo de campo elctrico y
magntico oscilante) atraviesa un plasma, las cargas libres en l,
principalmente los electrones, tienden a responder a esta
oscilacin.
Pero las atracciones electrostticas hacia los iones, que son las
fuerzas que generan la oscilacin del plasma, tienden a impedir
este acoplamiento entre los electrones y la onda
electromagntica. Si la frecuencia de la onda electromagntica es
mayor que la del
plasma, esta onda atravesar el plasma sin mayor problema, pero
si la frecuencia de la onda electromagntica es menor o igual que
la
del plasma, parte de la onda ser reflejada y parte ser
transmitida. Las ondas con frecuencias menores que la del
plasma
slo podrn penetrar una capa delgada de ste, ya que son
rpidamente amortiguadas.
La densidad de iones (y de electrones) en la ionosfera no es
homognea, pues depende fundamentalmente de la altura. A gran
altura, la densidad de iones es baja debido a la baja densidad
misma del gas atmosfrico. A bajas alturas tambin hay pocos iones
porque la mayor parte de la radiacin solar ionizante ya ha
sido absorbida. As pues, en un nivel de altura intermedia existe
un mximo bien definido de la densidad de iones (figura 10).
Distintas
frecuencias de onda de radio sern reflejadas a distintas alturas
y a la altura de la densidad mxima se reflejarn las ondas de mxima
frecuencia que pueden ser reflejadas. Ondas con frecuencias
mayores que sa ya no sern reflejadas por la ionosfera, por lo
que la mxima densidad de electrones define la frecuencia ms baja
que
puede atravesar la ionosfera. Esta penetracin y esta reflexin se
dan, por supuesto, en ambas direcciones. Las ondas de radio de
frecuencias muy altas (como por ejemplo lasmicroondas) generadas
en la superficie de la Tierra ya no las refleja la ionosfera y se
tienen
que usar reflectores artificiales a bordo de satlites para
comunicar a todo el planeta, pero, del mismo modo, estas ondas
pueden
penetrar la ionosfera cuando provienen del espacio exterior. De
igual manera, las ondas de radio de frecuencias ms bajas, que
rebotan en la ionosfera cuando provienen de la superficie de la
Tierra, rebotan tambin cuando vienen de fuera y no pueden ser
registradas en el suelo. La presencia de la ionosfera nos
permite utilizar cierto rango de frecuencias de radio para
comunicarnos sin
necesidad de reflectores artificiales, pero esto mismo limita
nuestra observacin del rango de frecuencias provenientes de cuerpos
extraterrestres.
-
Figura 10. Perfil de densidades de electrones en la ionosfera
con la altura
cerca del mximo de actividad solar. La curva slida representa el
perfil
nocturno y la curva en trazos el perfil diurno. Se muestran las
alturas
aproximadas de las capas D, E, F1 y F2. En pocas de baja
actividad solar las
densidades de electrones disminuyen y las curvas que representan
los
perfiles diurno y nocturno se corren hacia la izquierda.
Cabe mencionar que no todas las frecuencias mayores al
umbral
ionosfrico pueden penetrar la atmsfera. Existen otros efectos
que limitan la penetracin de ondas electromagnticas muy cortas.
Por
ejemplo, el infrarrojo es absorbido por las molculas de agua, el
ultravioleta se captura para ionizar la atmsfera alta (para
generar
la ionosfera) y tambin se absorben de esta manera los rayos X.
Los rayos gamma dan lugar a reacciones con los ncleos de la
atmsfera y tambin muy difcilmente pueden alcanzar la superficie.
De esta manera, la atmsfera forma una coraza protectora que slo
deja pasar radiaciones electromagnticas en dos rangos de
frecuencias llamadosventanas atmosfricas, una de las cuales es
la
de la luz visible y la otra la ventana de radio (figura 3)
La frontera inferior de la ionosfera se encuentra a una altura
aproximada de 55 km, donde la concentracin de electrones es ya
suficiente para afectar la propagacin de las ondas de radio. La
densidad de electrones aumenta irregularmente hasta un mximo
entre los 200 y 600 km de altura y a partir de ah disminuye
nuevamente, aunque en forma ms lenta (figura 10). Segn la
-
clasificacin de las capas atmosfricas en la meteorologa, la
ionosfera empieza poco antes del tope de la estratosfera, su
densidad electrnica aumenta por la mesosfera y el pico de
electrones se halla en la termosfera. La ionosfera contina ms
arriba, hasta traslaparse con la exosfera y finalmente fundirse
con
la plasmosfera o magnetosfera, que veremos posteriormente. El
plasma que rodea a la Tierra ya no tiene lmite y simplemente se
distinguen diferentes regiones.
En la ionosfera misma se distinguen varias regiones o capas,
aunque la separacin entre ellas no es muy marcada. Las
caractersticas de estas capas cambian, como es de esperarse, de
da a noche, pues la fotoionizacin del Sol cesa en la noche y
los
procesos de recombinacin de iones y electrones cambian la
estructura de la ionosfera. Durante el da, en orden de altitud
creciente y de concentracin creciente de iones, la ionosfera se
divide en las regiones D, E, F1 y F2 (figura 10). Las tres
primeras
son realmente estratos de la pendiente creciente en densidad de
electrones que alcanza su pico en la regin F2, excepto algunas
veces en la noche, cuando la capa E desarrolla un pico
independiente. Por la noche, la divisin entre las capas F1 y
F2 desaparece. Por encima del pico de la regin F2 la densidad de
electrones ya decrece montonamente. Durante el da, la regin E se
ioniza por los rayos X suaves del Sol hasta una concentracin de
105 electrones (y iones) por centmetro cbico. Las regiones
superiores se ionizan con radiacin ultravioleta y el mximo en
la
regin F2 alcanza valores del orden de 5 x 105 electrones por
centmetro cbico. Este valor; sin embargo, depende de la
latitud
sobre la Tierra y del nivel de actividad del Sol, que aumenta y
disminuye cclicamente. El valor dado anteriormente corresponde
a
latitudes geogrficas entre 30 y 40 grados y a periodos de mnima
actividad solar. En tiempos de mximo solar; la densidad de
electrones en el pico de la capa F2 puede alcanzar el orden de 2
x 106 electrones por centmetro cbico.
La densidad electrnica de la ionosfera y la altura del pico
se
sondean constantemente enviando seales de radio de distintas
frecuencias y midiendo el tiempo que tardan en regresar. Estos
sondeos han revelado gran cantidad de detalles interesantes en
el plasma ionosfrico, complicados patrones de densidad y de
corrientes elctricas, una compleja fotoqumica y otros efectos
magnetohidrodinmicos. En particular, en la ionosfera se
propagan
las ondas magnetohidrodinmicas, que viajan en los plasmas
atravesados por un campo magntico, como son todos los plasmas
espaciales. En estas ondas se acoplan oscilaciones de las
propiedades del plasma con oscilaciones del campo magntico en
-
l. Algunas son longitudinales (la oscilacin se da en la direccin
en
que se propaga la onda), pero otras son transversales (la
oscilacin es perpendicular a la velocidad de propagacin). Estas
ondas
desempean un papel muy importante en los plasmas espaciales y
volveremos a encontrarlas en otros lugares. En la ionosfera,
estas
ondas MHDson impulsadas por los movimientos de la atmsfera
baja
y por otros movimientos magnetosfricos que llegan desde
arriba.
El estado de la ionosfera, como ya mencionamos, vara de da a
noche como consecuencia del cambio en la fotoionizacin y en el
calentamiento de la atmsfera. Durante el da, cuando la atmsfera
est ms caliente y sus molculas estn ms agitadas, las colisiones
entre los electrones y los tomos neutros producen una
fuerte absorcin de las ondas electromagnticas de radio. De
noche, al bajar la temperatura, el nmero de colisiones disminuye
y
se pueden transmitir con mayor alcance y mayor claridad; incluso
algunas ondas que no son reflejadas durante el da llegan a ser
reflejadas durante la noche. Tambin el efecto de recombinacin
que ocurre durante la noche ocasiona que suban las capas
reflectoras de las distintas seales de radio (figura 10), y as,
al ser reflejadas a la Tierra, llegan ms lejos y se escuchan
estaciones que de da es difcil captar.
Pero stas no son las nicas variaciones que sufre la ionosfera.
Tambin la afectan los fenmenos que ocurren en la atmsfera baja
y, en forma mucho ms drstica, los fenmenos espordicos que
ocurren en el Sol. En ocasiones tienen lugar en el Sol enormes
explosiones llamadas rfagas solares, que lanzan hacia el espacio
gran cantidad de energa electromagntica en distintas longitudes de
ondas que incluyen la luz. Las radiaciones de longitudes de
onda
ms cortas (UV y rayos X) aumentan enormemente la ionizacin
en
la ionosfera y por lo tanto alteran todos sus patrones de
corrientes
elctricas. Las alteraciones en la densidad de los iones
repercuten en las radiocomunicaciones y las alteraciones en las
corrientes se
reflejan en el campo magntico de la Tierra.
Durante estas explosiones solares y por varios das despus, es
comn que tambin incidan sobre la Tierra partculas de muy alta
energa. Estas partculas giran alrededor de las lneas del campo
magntico de la Tierra y se precipitan sobre la ionosfera,
principalmente en regiones de alta latitud, alrededor de los
polos; penetran hasta la parte ms baja de la ionosfera, la capa D,
y
ionizan los constituyentes de la atmsfera al chocar con ellos,
con lo cual aumenta considerablemente la densidad de electrones.
Este
exceso de electrones produce, al igual que en el caso anterior,
una absorcin severa e incluso un bloqueo total de las radioondas.
Su
efecto se siente principalmente durante el da, cuando la Tierra
est
-
frente al Sol y recibe estas partculas, pero cuando es muy
intenso
permanece tambin por la noche. Como el efecto de absorcin y
bloqueo de ondas de radio se da en los casquetes polares, a
este
fenmeno se le conoce como absorcin en los casquetes polares y
afecta principalmente a las comunicaciones a alta latitud.
El comportamiento de la ionosfera tambin se ve alterado por
perturbaciones que el Sol genera en el plasma del medio
interplanetario y que viajan hasta la Tierra en unos cuantos
das.
Estas perturbaciones alteran la estructura del campo magntico y
los patrones de corrientes en todo el plasma que rodea a la Tierra
y
pueden incluso permitir la inyeccin del plasma solar hacia la
Tierra. Cuando son muy intensas dan lugar a lastormentas
geomagnticas (las cuales ya mencionamos cuando se habl de las
auroras), que pueden causar costosos daos a instalaciones
elctricas, adems de los consabidos problemas en las
comunicaciones. De esto hablaremos en detalle ms adelante.
MAGNETOSFERAS.
CONFORME nos alejamos de la Tierra y abandonamos lo que se
conoce
propiamente como la atmsfera, entramos de lleno en el dominio
del plasma. Nuestro planeta y todos los dems planetas del
Sistema
Solar que poseen un intenso campo magntico de origen interno
estn rodeados por envolturas magnticas 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 satlites y sondas espaciales. En
octubre de 1957, cuando se coloc por primera vez en rbita un
satlite artificial, elSputnik, se inici la fsica de plasmas
espacial moderna. Satlites 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 presin, la
intensidad de campo magntico y muchas otras caractersticas de
los plasmas en el espacio. En las dcadas posteriores, vehculos como
stos han sido sacados de la atraccin 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 captulo las
describiremos brevemente.
LA MAGNETOSFERA DE LA TIERRA
Debido a su cercana , la magnetosfera de la tierra es la que ms
se ha explorado y, por lo tanto, la que conocemos y entendemos
mejor. A finales de la dcada de 1960 los datos de los satlites
que orbitan la Tierra ya haban proporcionado una imagen
bastante
completa, aunque burda, de nuestra envoltura magntica y de
plasma hasta sus lmites cercanos. La imagen a la que condujeron
las medidas detalladas de estos satlites difera enormemente de
lo que se haba supuesto unos aos antes. En particular; la presencia
de flujos de partculas cargadas o corrientes elctricas desde
una
regin de plasma hacia otra, as como la de campos elctricos que
aceleran partculas hasta muy altas energas, revelaron una capa
envolvente de plasma de la Tierra muy dinmica 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 fsica de plasmas que en su
mayora eran totalmente desconocidos.
Aunque la idea bsica de una magnetosfera fue establecida
hace
mucho por Birkeland, en 1896, y descrita despus por Hoyle en
1956, no fue sino hasta que se utilizaron vehculos espaciales
para
explorarla que se acept ampliamente su existencia por la
comunidad cientfica. La magnetosfera de la Tierra (y todas las
dems magnetosferas) existe porque el Sol emite continuamente
plasma a gran velocidad y en todas direcciones. Este plasma,
que
tiene una conductividad elctrica muy alta, pues est totalmente
ionizado y es muy diluido, no acepta la penetracin de un campo
magntico externo (propiedad bien conocida de los buenos
conductores elctricos). En estas circunstancias, el campo
magntico de la Tierra es barrido del medio interplanetario y
comprimido hacia nuestro planeta por el lado que da al Sol, el
lado
da. En el lado opuesto, el lado noche, las lneas de campo se
estiran alejndose 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 magntico terrestre en una cpsula. En
ella se
encuentran diferentes regiones de plasma y estructuras de
campo
magntico.
Este efecto de deformacin es el resultado de la interaccin del
frente de flujo del plasma solar con el campo magntico que
encuentra a su paso, el cual genera corrientes en el plasma que
inducen la aparicin de nuevos campos magnticos. Estos campos
magnticos 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 magntico a su paso hasta que
la presin que el flujo ejerce sobre el campo iguale la presin que
el
campo comprimido ejerce sobre el flujo. En ese punto (que de
hecho sern muchos puntos que formarn una superficie) el plasma
esquivar y rodear al "obstculo" magntico, confindolo a una
cavidad en la que el plasma solar ya no penetra. Esta superficie
constituye lo que se llama la magnetopausa, porque ms all de
ella ya no se encuentra el campo magntico del planeta.
Cerca de la Tierra, el campo geomagntico es muy similar al de
una
barra de imn, que es lo que se conoce como el campo de
un dipolo (figura 7). Antes del ao geofsico internacional (IGY)
en
1957-1958, se crea que el campo dipolar de la Tierra
continuara
extendindose hacia afuera en el espacio sin cambiar su forma
y
-
que su intensidad disminuira al alejarse. Pero a partir de
las
intensas observaciones con cohetes y satlites durante el IGY
se
descubri que conforme se asciende, el campo magntico
gradualmente empieza a parecerse menos al de un dipolo y que del
lado da el campo geomagntico de repente empieza a ser ms
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 magntico 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 vaco, como era la imagen
simplista previa a la era espacial, sino que se encuentra inmersa
en
un plasma que fluye muy rpidamente.
Un detalle interesante es que el plasma solar que fluye es
tan
rpido que su velocidad supera la velocidad de las ondas que se
transmiten en l. Cuando este plasma encuentra un obstculo en su
camino, como el campo magntico de la Tierra, se generan ondas
que tratan de propagarse en todas direcciones. Pero como el
flujo
viaja ms rpidamente 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 direccin 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 obstculo,
pero
el flujo de plasma posterior a esta onda ya es muy diferente: se
vuelve turbulento y ms desorganizado (ms caliente) y el campo
magntico 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 tambin se ilustra en la figura
11.
El interior de la magnetosfera tambin 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 relacin con los
dems. As tenemos a la plasmosfera y en el interior de ella a los
cinturones de Van Alleny una hoja de plasma u hoja neutra que
separa en dos partes a la cola magnetosfrica; en una de estas
regiones las lneas de campo magntico se dirigen hacia la
Tierra,
mientras que en la otra se alejan de ella. Segn las
observaciones con vehculos espaciales, la cola magnetosfrica de la
Tierra se
extiende a ms de 1 000 y posiblemente 2 000 RT. Ahora ya sabemos
que esta estructura celular es una caracterstica ubicua en
-
todos los plasmas csmicos en sistemas estelares y galcticos y
en
las envolturas de los planetas y de los cometas.
La magnetosfera se considera como la regin del espacio que
rodea
a la Tierra en donde los procesos fsicos que ocurren estn
dominados por el campo geomagntico, esto es, donde el material
atmosfrico ya est en estado de plasma y su densidad es tan baja
que las colisiones entre las partculas no desempean ningn papel
importante. Esto ocurre aproximadamente entre 1 000 y 2 000
kilmetros de altura, donde se considera que termina la
ionosfera. Aunque la frontera inferior de la magnetosfera no es muy
precisa,
su significado fsico es bastante claro.
Toda la magnetosfera se encuentra llena de plasma,
principalmente
de origen ionosfrico, aunque en ocasiones se cuela en ciertas
regiones de ella el plasma de origen solar. En el interior de la
magnetosfera el campo magntico est bastante ordenado y se
pueden distinguir lneas de campo magntico que tienen sus dos
pies en la Tierra, a las que se les llama lneas cerradas y otras
que
slo tienen un pie y que se denominan lneas abiertas.Formalmente
todas las lneas de campo magntico deben ser (y son) cerradas,
pero en el caso de las lneas abiertas la conexin es a travs de
lneas de campo del medio interplanetario. Sobre la superficie de
la
Tierra las lneas abiertas se encuentran slo a altas latitudes,
pero se pueden encontrar lneas abiertas a cualquier latitud con slo
irse
suficientemente lejos.
En el interior de la magnetosfera se destaca la plasmosfera que
es la porcin del plasma magnetosfrico que rota con la Tierra.
Esta
regin se extiende hasta una distancia entre 3 y 6 RT de altura,
dependiendo del estado de perturbacin de la magnetosfera, el
cual
a su vez depende del estado de perturbacin del Sol. Fuera de
esta regin, la densidad de electrones y iones decrece muy
rpidamente
y sus patrones de circulacin ya no tienen que ver con la rotacin
terrestre. Aunque su nombre lo sugiere, su forma no es esfrica
y
no slo est limitada en distancia sino tambin en latitud,
extendindose slo hasta las latitudes de las ltimas lneas que
son
cerradas a todas horas, esto es, tanto del lado da como del lado
noche, donde el campo magntico es bastante semejante a un
campo dipolar. A latitudes magnticas ms altas, cerca de los
polos, las lneas de campo se encuentran estiradas hacia la cola y
por ellas
fluye el plasma que escapa de la ionosfera y que sigue estas
lneas hasta las profundidades de la cola magnetosfrica, detrs de la
Tierra. A este movimiento de salida del plasma de altas latitudes
se
le llama viento polar(figura 11).
LOS CINTURONES DE VAN ALLEN
-
La plasmosfera tampoco es una regin uniforme. En su interior
existen dos zonas en forma de dona en donde se encuentra una
poblacin bastante densa de partculas (protones y electrones)
atrapada en las lneas cerradas del campo geomagntico. A estas
dos zonas se les denomina cinturones de radiacin o cinturones
de
Van Allen, en honor a su descubridor. En 1958, al analizar la
informacin enviada por los detectores de partculas a bordo del
satlite artificial Explorer 1, el fsico estadunidense James
Alfred van Allen descubri estas zonas de intensa radiacin
corpuscular
(partculas) 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 magntico son ms
anchos en el ecuador y no cubren los polos.
A diferencia de las partculas de plasma que componen la
plasmosfera y que tienen energas muy bajas, los protones y
electrones atrapados en los cinturones son de muy alta energa,
miles y hasta millones de veces ms alta que la del plasma. Estas
partculas se encuentran girando muy rpidamente alrededor de las
lneas 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. Adems dan vuelta alrededor de la Tierra,
los protones hacia el oeste y los electrones hacia el este. En la
figura 12 se muestra esquemticamente los tres tipos de
movimientos de las partculas atrapadas en los cinturones de Van
Allen. El tiempo que les toma a estas partculas dar un giro
alrededor de la lnea de campo es del orden de millonsimas 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 esquemtico que muestra los tres movimientos
de las
partculas en los cinturones de Van Allen: un movimiento de giro
alrededor de
la lnea de campo; un movimiento de vaivn entre dos puntos de
reflexin
(puntos espejo) sobre la lnea y un movimiento que deriva
alrededor de la
tierra.
La existencia de puntos espejo surge de la naturaleza dipolar
del
campo magntico, cuya intensidad aumenta hacia los polos. Cuando
las partculas cargadas se van moviendo alrededor de una lnea
hacia regiones de campos ms intensos van a encontrar un punto de
alcance mximo, ms all del cual ya no pueden penetrar. Como
esto ocurre si se dirigen hacia el polo norte o al polo sur, las
partculas quedan atrapadas entre dos puntos de reflexin. Estos
dos puntos no son los mismos para todas las partculas, pues
dependen de la manera como stas fueron inyectadas en esas
regiones. En el laboratorio se ha intentado confinar plasmas en
botellas magnticas. Sin embargo, estos confinamientos
"artificiales" de plasmas hasta ahora no han resultado
eficientes.
El cinturn interior est centrado en una lnea que cruza el
ecuador a 0.5 RT de altura y est poblado principalmente por
protones. El
cinturn exterior, que llega hasta laplasmopausa, o sea el lmite
de la plasmosfera (3 RT de altura), est poblado sobre todo por
electrones. Parece haber dos fuentes principales de inyeccin de
partculas en estas regiones. Una de ellas son los neutrones que
provienen de la atmsfera y que, como son partculas inestables,
en unos minutos se transforman en un par electrn-protn. Estos
ltimos, al ser partculas cargadas, quedarn atrapados por el
campo magntico terrestre ah donde las lneas son cerradas. Los
neutrones provenientes de la atmsfera se producen en forma
natural por la interaccin de los rayos csmicos (que son
partculas de muy alta energa que llegan a la Tierra desde el
espacio exterior)
con los ncleos de los tomos de la atmsfera. 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 partculas cargadas entre 1950
y
1970 como resultado de las explosiones nucleares a gran altura
que realizaron Estados Unidos y la Unin Sovitica. Estas
partculas
pasaron a formar parte de la poblacin de los cinturones de Van
Allen, algunas transitoriamente, otras permanecen ah.
La segunda fuente importante de partculas de los cinturones
de
Van Allen parece ser la cola magnetosfrica, donde aparentemente
son aceleradas partculas de baja energa, posiblemente del
plasma
-
solar, y luego son lanzadas hacia la Tierra. Parte de estas
partculas
quedan atrapadas en los cinturones de radiacin 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 elctrica, la corriente anular.
Por
convencin, las corrientes fluyen en l