FIBRAS Y PAREDES PLASMÁTICAS

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item      Tipos de fibras plasmáticas
item      Ejemplos concretos
item     Comparación de estrujamiento con estrellas
item      Colápso electromagnético
Capítulo 4

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Tipos de fibras plasmáticas

Estrujamiento: El estrujamiento o fibra de corriente plasmática pertenece quizá a las formaciones plasmáticas más comunes. En las situaciones más sencillas la corriente circula a lo largo del eje del estrujamiento (dirección axial) y alrededor del estrujamiento se crea un campo magnético (dirección azimutal). Este campo ejerce una fuerza de Lorentz en la fibra plasmática logrando contraerla. Pasa el tiempo y se establece un equilibrio entre el gradiente de presiones plasmáticos, el cual trata de que el gas se disperse y la fuerza de Lorentz, la cual comprime al estrujamiento. Este equilibrio es inestable y el estrujamiento de este tipo se desintegra rápidamente.

Estrujamiento helicoidal: Basta, sin embargo, que las líneas de fuerza magnéticas sean retorcidas en una especie de cuerda magnética para que el estrujamiento se vuelva una estructura relativamente estable. La densidad de corriente y el campo magnético tienen componentes axiales y azimutales. El componente axial de la corriente genera un campo azimutal y el componente azimutal genera un campo axial. En este caso hablamos del así llamado estrujamiento helicoidal (en espiral). Si el estrujamiento tuviese suficiente tiempo, se deforma hasta una estructura en espiral que tenga la menor cantidad posible de energía. La corriente es guiada a lo largo de los retorcimientos de la espiral, las líneas de fuerza magnéticas. A esta corriente a lo largo le llamamos corriente de Birkeland. generada por las corrientes de Birkeland es nula. Por lo mismo a esta configuración del campo magnético y corriente se le llama “configuración libre de fuerzas” (force free configuration). El estrujamiento con corriente de Birkeland es forzosamente helicoidal.

Estrujamiento helicoidal

Biespiral: Con frecuencia son observadas fibras de corriente entramadas mutuamente (biespirales). Esto es el resultado de que dos estrujamientos espirales con corrientes coincidentes en su orientación desde una distancia alejada se atraen (tal como dos conductores paralelos que les circula corrientes coincidentes). Pero a cortas distancias se logra repulsión producto del componente azimutal de la corriente. De esta manera es posible crear una pareja energética - biespiral..

Biespiral

Estrujamiento toroidal: En el laboratorio es distinguida todavía otra configuración – el plasma que es sujetado en una geometría toroidal en los tokamaks [Del ruso “toroidalnaja kamera magnitnaja katusha” – cámara toroidal de confinamento magnético. N. del T.]. Se trata de hecho de estrujamientos retorcidos hasta adquirir formas de neumáticos de automóviles. En lugar de campo axial aquí es más común hablar de campo toroidal y en lugar de campo azimutal se le dice campo poloidal.

Muro de corriente: Exceptuando las más conocidas estructuras cilíndricas, el estrujamiento se puede formar como una capa de corriente o estrujamiento laminado mantenido por su propio campo magnético. En semejante muro fluye una corriente laminada, la cual genera un campo magnético adyacente. Este campo propio toma el componente azimutal del campo en un estrujamiento normal e impide el ensanchamiento de la pared y su desintegración. Los ejemplos más típicos de este muro de corriente son los brillos polares. Las corrientes laminadas aquí fluyen a lo largo del campo bipolar de los planetas y por tanto de trata de una típica corriente de Birkeland.

Foco plasmático: El foco plasmático es un arreglo de laboratorio muy interesante. Fue construido por primera vez al final de los 1950’as. Entonces nadie sospechaba que la naturaleza misma produce efectos similares en la luna Io del planeta Júpiter. Se trata de un acelerador coaxial plasmático – entre dos electrodos cilíndricos el plasma es acelerado por su mismo campo magnético. Al dejar los electrodos el plasma se transforma en una estructura característica de paraguas, en la cual circula todavía corriente eléctrica. Esta corriente genera un campo magnético, el cual comprime a la “agarradera” plasmática hasta una formación lineal muy densa, llamada foco plasmático. El foco plasmático no es otra cosa sino un estrujamiento muy denso. En el foco plasmático se realizaron los primeros intentos de síntesis termonuclear y en la actualidad, junto con tecnología láser moderna volvemos a éste principio. En este año los intentos de lograr fusión termonuclear se realizaron más veces en aparatos de estrujamiento que en los clásicos tokamaks.

Foco plasmático

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Ejemplos concretos

Los muros conductores más conocidos son los brillos polares. En la zona auroral tienen lugar laminas conductoras localizadas alrededor de los 70° de latitud sur y norte en nuestro planeta, el grosor de este muro es algunas décadas de kilómetros, linealmente sus dimensiones es unos mil kilómetros. La pared esta orientada a lo largo de las líneas de fuerza del campo magnético terrestre, el cual corresponde al componente axial en un estrujamiento cilíndrico. En la lámina se dan descargas con una densidad de corriente ~ 30 μA/m2 las que generan su propio campo magnético con efectos conocidos de guías como son los brillos polares. La primera observación en detalle del estrujamiento laminar en la Tierra fue llevada a cabo por la sonda TRIAD en el año 1976, la primera detección sin embargo se hizo ya desde 1966 (con el satélite de navegación 1963-38C). Los brillos polares son en la actualidad efectos plasmáticos muy bien estudiados no solo en nuestra Tierra. En la figura se puede apreciar una fotografía de un brillo polar en Saturno a principios de 1998.
 

Polar lights on the Saturn

Brillo polar en Saturno. Resultado de corrientes de Birkeland que fluyen en el estrujamiento laminar en la zona auroral. HST, cámara STIS, 7.Enero 1998.

Justo después de esa fecha, lo que las sondas Voyager 1 y Voyager 2 fotografiaron en la luna Io fueron volcanes activos. Gold propuso (1979), que los gases volcánicos pudieran ser ionizados y en la boca del volcán ocurriesen descargas eléctricas, lo cual es análogo a las descargas en un acelerador coaxial. Actualmente ya tenemos datos concretos. El campo magnético de Júpiter en la órbita de su luna Io tiene un valor de 1900 nT. La tensión electromotriz inducida resultado del movimiento de la luna transversal a las líneas de fuerza es 400 kV y la corriente de Birkeland detectada es de alrededor de 1 MA. ¡La potencia liberada es entonces ~0,4 TW! Si esta potencia fuera distribuida entre algunos de los volcanes más grandes, de todos modos es de hecho suficiente para mantener descargas plasmáticas y crear focos plasmáticos. Compárese la fotografia de los volcanes con la de la capa de corriente de laboratorio de un foco plasmático.

Prometeo Prometeo

Volcán Prometeo en la luna Io. Voyager 2, 1979. La segunda toma es una vista de perfil del volcán Prometeo desde la sonda Galileo, 28.6.1997. ¿Foco plasmático en el Universo?

Foco plasmático

Las estructuras fibrosas están presentes en casi todas las nebulosas. Son testigos de materia ionizada y de la presencia de campos magnéticos. En las fibras fluye corriente eléctrica, la cual crea un campo magnético alrededor de la fibra.

NGC 6960/95

NGC 6960/95 (The Cygnus Loop = El aro de Cygnus). Restos de la explosión de una supernova con la típica estructura fibrosa. Edad 15 000 años. Telescopio Espacial Hubble 1996.

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Comparación del estrujamiento con las estrellas

Intentemos ahora formular las diferencias básicas de las configuraciones en equilibrio tanto de las interacciones gravitacionales (estrellas) como de las interacciones electromagnéticas (estrujamiento):

  • Los objetos que son resultado de la gravitación tienen geometría esférica; los objetos basados en electromagnetismo tienen geometría cilíndrica.
  • Los objetos basados en gravitación no necesitan la interacción con el mundo alrededor de ellos; los estrujamientos necesitan que les circule una corriente, la cual en los laboratorios se tiene que crear con un circuito externo y en el Universo con un campo externo.
  • Ambas configuraciones pueden tener diferencias marcadas de tamaño. Esto esta dado por la diferencia de tamaño entre la interacción electromagnética y la gravitacional. Por ejemplo la proporción entre la fuerza gravitacional y la electrostática para dos protones es Fe/Fg ~ 1036. Gracias a este hecho podemos crear en condiciones de laboratorio un estrujamiento de pequeñas dimensiones (milímetros, centímetros), ¡dentro de los cuales podemos observar materia con parámetros comparables al de los núcleos de las estrellas!
  • La configuración de equilibrio de las estrellas es estable para una escala amplia de parámetros; la configuración de equilibrio de un estrujamiento muestra una gama completa de inestabilidades: por ejemplo en el lugar de un estrangulamiento aleatorio del estrujamiento se crea un campo magnético más fuerte (por la reducción en radio) y una presión magnética más grande en el estrujamiento comprime esa sección todavía más que al resto, hasta que se divide el estrujamiento o incluso se desintegra en varias partes – como un collar de cuentas (inestabilidad de collar de cuentas). En el lugar donde el estrujamiento se curva, se crea un campo más fuerte y una presión en la cara interior, por lo que el alabeo inicial se incrementará. Puesto que los estrujamientos son estructuras fundamentalmente inestables, su conservación por un tiempo marcadamente largo esta dado por la combinación de campos magnéticos cruzados.

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Colapso electromagnético

Una fibra plasmática se encuentra en equilibrio, si la fuerza de Lorentz esta equilibrada con el gradiente de presiones. Esta condición es válida para configuraciones en equilibrio de una manera un tanto general, luego no solamente para el estrujamiento, y de ahí se desprende, que durante el equilibrio las líneas de corriente y las líneas de fuerza del campo magnético se encuentran en capas de presión constante. W.H. Bennett dedujo por primera vez, para la simetría cilíndrica, las condiciones de equilibrio bajo el supuesto de una densidad de corriente constante en el estrujamiento. En el estrujamiento, digamos en el laboratorio, alcanza un calentamiento de Joule muy fuerte por la corriente circulante. El calor producido de esta manera incrementaría la presión en el estrujamiento impidiendo el surgimiento del equilibrio en el mismo. En vista de que los estrujamientos son observados como formaciones relativamente estables, el calor del estrujamiento debe ser expulsado. R.S. Pease y S. Braginskij propusieron que en el equilibrio la producción de calor de Joule esta plenamente compensado por las pérdidas por radiación. El brillo en los estrujamientos es probablemente el mecanismo más importante de liberación de energía del estrujamiento, lo cual impide el calentamiento del estrujamiento.

R. S. Pease y S. Braginskij dedujeron independientemente en el año 1957 la posibilidad teórica del colapso electromagnético del estrujamiento. La corriente circulante en el estrujamiento libera por el mecanismo de Ohm (Joule) la energía calorífica que de otra manera calentaría al estrujamiento. Esta energía es radiada hacia afuera. La potencia de la radiación crece con la temperatura. Ante cantidades altas de corriente, y por tanto temperaturas altas, es radiada tanta cantidad de energía, que alcanza a perturbar el equilibrio del estrujamiento, la presión magnética externa supera la presión material y la fibra plasmática comienza a colapsarse hacia el centro. Al tiempo de que su temperatura no se incrementa, sino que puede incluso disminuir gracias a la energía radiada. Este colapso puede detenerse hasta un gas degenerado de electrones o neutrones (efectos cuánticos en materia superdensa). El escenario del colapso electromagnético recuerda mucho los estadios finales de la explosión de una estrella – el colapso gravitacional en una enana blanca o una estrella de neutrones (incluyendo enfriamiento final). El colapso electromagnético debería alcanzarse ante corriente mayores que el valor IPB ~ 1 MA deducida por Pease y Braginskij. Esta cantidad no depende de la forma o el tamaño del estrujamiento. Se trata de una constante universal compuesta de otras constantes básicas (permeabilidad del vacío, la constante de Boltzmann, la constante de Stefan-Boltzmann,...).

Este supuesto teórico es marcadamente problemática, porque los supuestos deducidos de Pease-Braginskij nunca se cumplen de forma precisa. La deducción fue llevada a cabo para plasmas ópticamente ralos que radian solamente a través de procesos recombinatorios; fue considerada solamente la conductividad de colisiones normal en el plasma; la corriente guiada puede ser, en condiciones extremas, influenciada por diversos efectos anómalos; la conducción de energía puede darse a través de canales distintos a la radiación (por ejemplo los electrones rápidos de la cola de la distribución de Maxwell). El problema básico es que antes de que el estrujamiento alcance la corriente mínima de Pease-Braginskij, el estrujamiento regularmente se desintegra como consecuencia del desarrollo de inestabilidades o se divide en varios estrujamientos de menor tamaño. La posibilidad del colapso electromagnético, por lo tanto, permanece en la actualidad abierta.


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Traducción: Arturo Ortiz Tapia, 2005