En astronomía y ciencia planetaria , una magnetosfera es una región del espacio que rodea un objeto astronómico en la que las partículas cargadas se ven afectadas por el campo magnético de ese objeto . [1] [2] Es creado por un cuerpo celeste con una dinamo interior activa .
En el entorno espacial cercano a un cuerpo planetario con un campo magnético dipolo como la Tierra, las líneas de campo se asemejan a un simple dipolo magnético . Más lejos, las líneas de campo pueden verse significativamente distorsionadas por el flujo de plasma eléctricamente conductor , emitido por el Sol (es decir, el viento solar ) o una estrella cercana. [3] [4] Los planetas que tienen magnetosferas activas, como la Tierra, son capaces de mitigar o bloquear los efectos de la radiación solar o la radiación cósmica ; en el caso de la Tierra, esto protege a los organismos vivos de cualquier daño. Las interacciones de partículas y atmósferas con magnetosferas se estudian en las materias científicas especializadas de física del plasma , física espacial y aeronomía .
El estudio de la magnetosfera de la Tierra comenzó en 1600, cuando William Gilbert descubrió que el campo magnético en la superficie de la Tierra se parecía al de una terrella , una pequeña esfera magnetizada. En la década de 1940, Walter M. Elsasser propuso el modelo de la teoría de la dinamo , que atribuye el campo magnético de la Tierra al movimiento del núcleo exterior de hierro de la Tierra . Mediante el uso de magnetómetros , los científicos pudieron estudiar las variaciones del campo magnético de la Tierra en función tanto del tiempo como de la latitud y longitud.
A partir de finales de la década de 1940, se utilizaron cohetes para estudiar los rayos cósmicos . En 1958, se lanzó el Explorer 1 , la primera de la serie de misiones espaciales Explorer, para estudiar la intensidad de los rayos cósmicos sobre la atmósfera y medir las fluctuaciones de esta actividad. Esta misión observó la existencia del cinturón de radiación de Van Allen (ubicado en la región interior de la magnetosfera de la Tierra), y el siguiente Explorer 3 ese mismo año demostró definitivamente su existencia. También durante 1958, Eugene Parker propuso la idea del viento solar , siendo el término "magnetosfera" propuesto por Thomas Gold en 1959 para explicar cómo el viento solar interactuaba con el campo magnético de la Tierra. La misión posterior del Explorer 12 en 1961, encabezada por la observación de Cahill y Amazeen en 1963 de una disminución repentina en la intensidad del campo magnético cerca del meridiano del mediodía, más tarde recibió el nombre de magnetopausa . En 1983, el Explorador Internacional de Cometas observó la cola magnética, o el campo magnético distante. [4]
Las magnetosferas dependen de varias variables: el tipo de objeto astronómico, la naturaleza de las fuentes de plasma y momento, el período de giro del objeto, la naturaleza del eje alrededor del cual gira el objeto, el eje del dipolo magnético y la magnitud. y dirección del flujo del viento solar .
La distancia planetaria donde la magnetosfera puede soportar la presión del viento solar se llama distancia Chapman-Ferraro. Esto se modela de manera útil mediante la fórmula en la que representa el radio del planeta, representa el campo magnético en la superficie del planeta en el ecuador y representa la velocidad del viento solar:
Una magnetosfera se clasifica como "intrínseca" cuando , o cuando la principal oposición al flujo del viento solar es el campo magnético del objeto. Mercurio , la Tierra, Júpiter , Ganímedes , Saturno , Urano y Neptuno , por ejemplo, exhiben magnetosferas intrínsecas. Una magnetosfera se clasifica como "inducida" cuando , o cuando el viento solar no se opone al campo magnético del objeto. En este caso, el viento solar interactúa con la atmósfera o ionosfera del planeta (o la superficie del planeta, si el planeta no tiene atmósfera). Venus tiene un campo magnético inducido, lo que significa que debido a que Venus parece no tener efecto de dinamo interno , el único campo magnético presente es el formado por el viento solar que envuelve el obstáculo físico de Venus (ver también la magnetosfera inducida de Venus ). Cuando , el planeta mismo y su campo magnético contribuyen. Es posible que Marte sea de este tipo. [5]
El arco de choque forma la capa más externa de la magnetosfera; el límite entre la magnetosfera y el medio ambiente. Para las estrellas, este suele ser el límite entre el viento estelar y el medio interestelar ; en el caso de los planetas, la velocidad del viento solar disminuye a medida que se acerca a la magnetopausa. [6] Debido a las interacciones con el arco de choque, el plasma del viento estelar gana una anisotropía sustancial , lo que lleva a varias inestabilidades del plasma aguas arriba y aguas abajo del arco de choque. [7]
La funda magnética es la región de la magnetosfera entre el arco de choque y la magnetopausa. Se forma principalmente a partir del impacto del viento solar, aunque contiene una pequeña cantidad de plasma de la magnetosfera. [8] Es un área que exhibe un alto flujo de energía de partículas , donde la dirección y magnitud del campo magnético varía erráticamente. Esto se debe a la acumulación de gas del viento solar que efectivamente ha sufrido una termalización . Actúa como un cojín que transmite la presión del flujo del viento solar y la barrera del campo magnético del objeto. [4]
La magnetopausa es el área de la magnetosfera donde la presión del campo magnético planetario se equilibra con la presión del viento solar. [3] Es la convergencia del viento solar impactado por la magnetosfera con el campo magnético del objeto y el plasma de la magnetosfera. Debido a que ambos lados de esta convergencia contienen plasma magnetizado, las interacciones entre ellos son complejas. La estructura de la magnetopausa depende del número de Mach y la beta del plasma, así como del campo magnético. [9] La magnetopausa cambia de tamaño y forma a medida que fluctúa la presión del viento solar. [10]
Frente al campo magnético comprimido se encuentra la cola magnética, donde la magnetosfera se extiende mucho más allá del objeto astronómico. Contiene dos lóbulos, denominados lóbulos de la cola norte y sur. Las líneas de campo magnético en el lóbulo norte de la cola apuntan hacia el objeto, mientras que las del lóbulo sur de la cola apuntan en dirección contraria. Los lóbulos de la cola están casi vacíos, con pocas partículas cargadas que se oponen al flujo del viento solar. Los dos lóbulos están separados por una lámina de plasma, una zona donde el campo magnético es más débil y la densidad de partículas cargadas es mayor. [11]
Sobre el ecuador de la Tierra , las líneas del campo magnético se vuelven casi horizontales y luego regresan para reconectarse en latitudes altas. Sin embargo, a grandes altitudes, el campo magnético se ve significativamente distorsionado por el viento solar y su campo magnético solar. En el lado diurno de la Tierra, el viento solar comprime significativamente el campo magnético a una distancia de aproximadamente 65.000 kilómetros (40.000 millas). El arco de choque de la Tierra tiene unos 17 kilómetros (11 millas) de espesor [12] y está ubicado a unos 90.000 kilómetros (56.000 millas) de la Tierra. [13] La magnetopausa existe a una distancia de varios cientos de kilómetros sobre la superficie de la Tierra. La magnetopausa de la Tierra ha sido comparada con un tamiz porque permite la entrada de partículas del viento solar. Las inestabilidades de Kelvin-Helmholtz ocurren cuando grandes remolinos de plasma viajan a lo largo del borde de la magnetosfera a una velocidad diferente a la de la magnetosfera, lo que hace que el plasma se deslice. Esto da como resultado la reconexión magnética y, a medida que las líneas del campo magnético se rompen y se vuelven a conectar, las partículas del viento solar pueden ingresar a la magnetosfera. [14] En el lado nocturno de la Tierra, el campo magnético se extiende en la cola magnética, que a lo largo supera los 6.300.000 kilómetros (3.900.000 millas). [3] La cola magnética de la Tierra es la fuente principal de la aurora polar . [11] Además, los científicos de la NASA han sugerido que la cola magnética de la Tierra podría causar "tormentas de polvo" en la Luna al crear una diferencia de potencial entre el lado diurno y el lado nocturno. [15]
Muchos objetos astronómicos generan y mantienen magnetosferas. En el Sistema Solar esto incluye el Sol, Mercurio , Júpiter , Saturno , Urano , Neptuno , [16] y Ganímedes . La magnetosfera de Júpiter es la magnetosfera planetaria más grande del Sistema Solar, y se extiende hasta 7.000.000 de kilómetros (4.300.000 millas) en el lado diurno y casi hasta la órbita de Saturno en el lado nocturno. [17] La magnetosfera de Júpiter es más fuerte que la de la Tierra en un orden de magnitud , y su momento magnético es aproximadamente 18.000 veces mayor. [18] Venus , Marte y Plutón , por otro lado, no tienen campo magnético. Esto puede haber tenido efectos significativos en su historia geológica. Se teoriza que Venus y Marte pueden haber perdido su agua primordial debido a la fotodisociación y el viento solar. Una magnetosfera fuerte ralentiza enormemente este proceso. [16] [19]
Se cree que las magnetosferas generadas por exoplanetas son comunes, aunque los primeros descubrimientos no se produjeron hasta la década de 2010. En 2014, se dedujo la existencia de un campo magnético alrededor de HD 209458 b a partir de la forma en que se evaporaba el hidrógeno del planeta. [20] [21] En 2019, se estimó la fuerza de los campos magnéticos superficiales de 4 Júpiter calientes y osciló entre 20 y 120 gauss en comparación con el campo magnético superficial de Júpiter de 4,3 gauss. [22] [23] En 2020, se detectó una emisión de radio en la banda de 14-30 MHz desde el sistema Tau Boötis , probablemente asociada con la radiación ciclotrón de los polos de Tau Boötis b, una firma de un campo magnético planetario. [24] [25] En 2021, un campo magnético generado por HAT-P-11b se convirtió en el primero en ser confirmado. [26] La primera detección no confirmada de un campo magnético generado por un exoplaneta terrestre se encontró en 2023 en YZ Ceti b . [27] [28] [29] [30]
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