La capa L , valor L o parámetro L de McIlwain (en honor a Carl E. McIlwain) es un parámetro que describe un conjunto particular de líneas de campo magnético planetario . Coloquialmente, el valor L a menudo describe el conjunto de líneas de campo magnético que cruzan el ecuador magnético de la Tierra en un número de radios terrestres igual al valor L. Por ejemplo, describe el conjunto de líneas de campo magnético de la Tierra que cruzan el ecuador magnético de la Tierra a dos radios terrestres desde el centro de la Tierra. Los parámetros de la capa L también pueden describir los campos magnéticos de otros planetas. En tales casos, el parámetro se renormaliza para el radio y el modelo de campo magnético de ese planeta. [1]
Aunque el valor L se define formalmente en términos del campo magnético instantáneo real de la Tierra (o un modelo de orden superior como IGRF ), a menudo se utiliza para dar una imagen general de los fenómenos magnéticos cerca de la Tierra, en cuyo caso se puede aproximar utilizando el modelo dipolar del campo magnético de la Tierra .
Los movimientos de partículas cargadas de baja energía en el campo magnético de la Tierra (o en cualquier campo magnético casi dipolar) se pueden describir de manera útil en términos de las coordenadas de McIlwain ( B , L ), la primera de las cuales, B es simplemente la magnitud (o longitud) del vector del campo magnético. [2] Esta descripción es más valiosa cuando el radio de giro de la órbita de la partícula cargada es pequeño en comparación con la escala espacial para los cambios en el campo. Entonces, una partícula cargada seguirá básicamente una trayectoria helicoidal orbitando la línea de campo local. En un sistema de coordenadas local {x, y, z} donde z está a lo largo del campo, el movimiento transversal será casi un círculo, orbitando el " centro guía ", que es el centro de la órbita o la línea B local , con el radio de giro y la frecuencia característicos del movimiento de ciclotrón para la intensidad del campo, mientras que el movimiento simultáneo a lo largo de z será a una velocidad casi uniforme, ya que el componente de la fuerza de Lorentz a lo largo de la línea de campo es cero.
En el siguiente nivel de aproximación, a medida que la partícula orbita y se mueve a lo largo de la línea de campo, a lo largo de la cual el campo cambia lentamente, el radio de la órbita cambia de modo que se mantiene constante el flujo magnético encerrado por la órbita. Como la fuerza de Lorentz es estrictamente perpendicular a la velocidad, no puede cambiar la energía de una partícula cargada que se mueve en ella. Por lo tanto, la energía cinética de la partícula permanece constante. Entonces, también debe ser constante su velocidad. Entonces se puede demostrar que la velocidad de la partícula paralela al campo local debe disminuir si el campo aumenta a lo largo de su movimiento z , y aumentar si el campo disminuye, mientras que los componentes de la velocidad transversales al campo aumentan o disminuyen de modo que se mantiene constante la magnitud de la velocidad total. La conservación de la energía impide que la velocidad transversal aumente sin límite y, finalmente, el componente longitudinal de la velocidad se vuelve cero, mientras que el ángulo de inclinación de la partícula con respecto a la línea de campo se convierte en 90°. Luego, el movimiento longitudinal se detiene y se invierte, y la partícula se refleja nuevamente hacia regiones de campo más débil; el centro guía ahora vuelve a trazar su movimiento anterior a lo largo de la línea de campo, con la velocidad transversal de la partícula disminuyendo y su velocidad longitudinal aumentando. [3]
En el campo (aproximadamente) dipolar de la Tierra, la magnitud del campo es mayor cerca de los polos magnéticos y menor cerca del ecuador magnético. Por lo tanto, después de que la partícula cruza el ecuador, volverá a encontrar regiones de campo creciente, hasta que una vez más se detiene en el punto de espejo magnético , en el lado opuesto del ecuador. El resultado es que, a medida que la partícula orbita su centro guía en la línea de campo, rebota de un lado a otro entre el punto de espejo norte y el punto de espejo sur, permaneciendo aproximadamente en la misma línea de campo. Por lo tanto, la partícula está atrapada infinitamente y no puede escapar de la región de la Tierra. Las partículas con ángulos de inclinación demasiado pequeños pueden golpear la parte superior de la atmósfera si no se reflejan antes de que su línea de campo se acerque demasiado a la Tierra, en cuyo caso eventualmente serán dispersadas por átomos en el aire, perderán energía y se perderán de los cinturones. [4]
Sin embargo, para las partículas que se reflejan a altitudes seguras (en un nivel de aproximación aún mayor), el hecho de que el campo generalmente aumenta hacia el centro de la Tierra significa que la curvatura en el lado de la órbita más cercano a la Tierra es algo mayor que en el lado opuesto, de modo que la órbita tiene una forma ligeramente no circular, con una forma cicloidal (alargada) , y el centro guía se mueve lentamente perpendicular tanto a la línea de campo como a la dirección radial. El centro guía de la órbita del ciclotrón, en lugar de moverse exactamente a lo largo de la línea de campo, se desplaza lentamente hacia el este o el oeste (dependiendo del signo de la carga de la partícula), y la línea de campo local que conecta los dos puntos de reflejo en cualquier momento, barre lentamente una superficie que los conecta a medida que se mueve en longitud. Finalmente, la partícula se desplazará completamente alrededor de la Tierra y la superficie se cerrará sobre sí misma. Estas superficies de deriva, anidadas como la piel de una cebolla, son las superficies de L constante en el sistema de coordenadas de McIlwain. Se aplican no solo para un campo dipolar perfecto, sino también para campos que son aproximadamente dipolares. Para una partícula dada, siempre que solo intervenga la fuerza de Lorentz, B y L permanecen constantes y las partículas pueden quedar atrapadas indefinidamente. El uso de las coordenadas ( B , L ) nos proporciona una forma de representar el campo terrestre o planetario real, no dipolar, en coordenadas que se comportan esencialmente como las de un dipolo perfecto. El parámetro L se etiqueta tradicionalmente en radios terrestres, del punto donde la capa cruza el ecuador magnético, del dipolo equivalente. B se mide en gauss.
En un modelo de campo magnético dipolar centrado, la trayectoria a lo largo de una capa L dada se puede describir como [5] donde es la distancia radial (en radios planetarios) a un punto en la línea, es su latitud geomagnética y es la capa L de interés.
Para la Tierra, las capas L definen de manera única regiones de particular interés geofísico. Ciertos fenómenos físicos ocurren en la ionosfera y la magnetosfera en capas L características. Por ejemplo, las exhibiciones de luz auroral son más comunes alrededor de L=6, pueden alcanzar L=4 durante perturbaciones moderadas y, durante las tormentas geomagnéticas más severas , pueden acercarse a L=2. Los cinturones de radiación de Van Allen corresponden aproximadamente a L=1,5–2,5 y L=4–6 . La plasmapausa suele estar alrededor de L=5.
El campo magnético joviano es el campo planetario más fuerte del sistema solar. Su campo magnético atrapa electrones con energías superiores a 500 MeV [6]. Las capas L características son L=6, donde la distribución de electrones sufre un marcado endurecimiento (aumento de energía), y L=20-50, donde la energía de los electrones disminuye al régimen VHF y la magnetosfera finalmente da paso al viento solar. Debido a que los electrones atrapados de Júpiter contienen tanta energía, se difunden más fácilmente a través de las capas L que los electrones atrapados en el campo magnético de la Tierra. Una consecuencia de esto es un espectro de radio más continuo y de variación suave emitido por los electrones atrapados en girorresonancia .
