La capa L , el valor L o el 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 del campo magnético terrestre que cruzan el ecuador magnético terrestre a dos radios terrestres del 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 vuelve a normalizar para el modelo de radio y campo magnético de ese planeta. [1]
Aunque el valor L se define formalmente en términos del verdadero campo magnético instantáneo de la Tierra (o un modelo de alto orden como IGRF ), a menudo se usa para dar una imagen general de los fenómenos magnéticos cerca de la Tierra, en cuyo caso se puede aproximar. utilizando el modelo dipolo del campo magnético terrestre .
Los movimientos de partículas cargadas de baja energía en el campo magnético de la Tierra (o en cualquier campo magnético casi dipolar) pueden describirse útilmente 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 de 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 ", es decir el centro de la órbita o la línea B local , con el giroradio y frecuencia característicos del movimiento del ciclotrón para la intensidad del campo, mientras que el movimiento simultáneo a lo largo de z será a una velocidad casi uniforme, ya que la 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 para mantener constante el flujo magnético encerrado por la órbita. Dado que 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 tanto, la energía cinética de la partícula permanece constante. Entonces también su velocidad debe ser constante. 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 las componentes de la velocidad transversal al campo aumentan o disminuyen para mantener la magnitud de la constante de velocidad total. La conservación de la energía impide que la velocidad transversal aumente sin límite y, eventualmente, la componente longitudinal de la velocidad se vuelve cero, mientras que el ángulo de paso de la partícula con respecto a la línea de campo se vuelve 90°. Luego, el movimiento longitudinal se detiene y se invierte, y la partícula se refleja de regreso hacia regiones de campo más débil; el centro guía ahora vuelve sobre 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 (aproximadamente) campo dipolar de la Tierra, la magnitud del campo es mayor cerca de los polos magnéticos y menor cerca del ecuador magnético. Así, después de que la partícula cruce el ecuador, volverá a encontrar regiones de campo creciente, hasta que se detenga nuevamente en el punto del 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 hacia adelante y hacia atrás entre el punto del espejo norte y el punto del espejo sur, permaneciendo aproximadamente en la misma línea de campo. Por lo tanto, la partícula queda atrapada eternamente y no puede escapar de la región de la Tierra. Las partículas con ángulos de paso demasiado pequeños pueden golpear la parte superior de la atmósfera si no se reflejan antes de que su línea de campo llegue demasiado cerca de la Tierra, en cuyo caso eventualmente serán dispersadas por los átomos en el aire, perderán energía y se perderán. de los cinturones. [4]
Sin embargo, para las partículas que se reflejan en altitudes seguras (en un nivel aún mayor de aproximación), 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 de la órbita más cercano a la Tierra. el lado opuesto, de modo que la órbita tiene una forma ligeramente no circular, con 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 hacia el oeste (dependiendo del signo de la carga de la partícula), y la línea de campo local que conecta los dos puntos especulares en cualquier momento, barre lentamente una superficie que los conecta a medida que se mueve en longitud. Con el tiempo, la partícula se desplazará por completo 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 constante L en el sistema de coordenadas de McIlwain. Se aplican no sólo para un campo dipolar perfecto, sino también para campos que son aproximadamente dipolares. Para una partícula dada, siempre que sólo intervenga la fuerza de Lorentz, B y L permanecen constantes y las partículas pueden quedar atrapadas indefinidamente. El uso de coordenadas ( B , L ) nos proporciona una forma de mapear el campo terrestre o planetario real, no dipolar, en coordenadas que se comportan esencialmente como las de un dipolo perfecto. El parámetro L se denomina 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 dipolo centrado, la trayectoria a lo largo de una capa L determinada se puede describir como [5]
Para la Tierra, las capas L definen de forma única regiones de particular interés geofísico. Ciertos fenómenos físicos ocurren en la ionosfera y la magnetosfera en las capas L características. Por ejemplo, las exhibiciones de luces aurorales 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 ser de 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 a El régimen VHF y la magnetosfera eventualmente dan paso al viento solar. Debido a que los electrones atrapados en 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 que varía suavemente emitido por electrones atrapados en girorresonancia .
