RECONECCIÓN MAGNÉTICA

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Capítulo 4

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Introducción

Si en los últimos tiempos se ha hablado acerca de física del plasma, la mayoría de la discusión tiende a ser acerca de la reconexión de líneas magnéticas. Se trata de un fenómeno, que permite explicar una amplia gama de procesos en el plasma que hasta ahora no son entendidos del todo. Entre ellos se encuentran, por ejemplo, las repentinas llamaradas (protuberancias) en la corona del Sol, los fenómenos en la frontera de la magnetósfera terrestre y en el espacio interplanetario, los fenómenos en la atmósfera de las magnetoestrellas, lo mismo que los fenómenos en los plasmas de laboratorio. La reconexión de las líneas de campo magnético puede ser lograda a través de una escala amplia de valores.

Para este fenómeno, por lo pronto, no hay una frase permanentemente acordada en la lengua checa. Lo más usual es hablar de "intercambio conectivo" de las líneas de campo magnético, o bien de la reconexión (lo cual sería el término usado en castellano) o bien de un "corto circuito" magnético. Cada uno de nosotros sabe a grandes rasgos lo que es un corto circuito eléctrico. La corriente eléctrica encuentra un camino más corto y conveniente. De manera similar se puede llegar a un estado, tal que las líneas de fuerza magnética cambien la estructura de su topología original hacia otra, con una configuración energética más conveniente. Durante tal proceso hay una liberación de energía, la cual calienta al plasma circundante. Algunas veces se calienta tanto, que el plasma radía en la región de rayos X. En cualquier caso, el cambio de topología de las líneas de fuerza magnéticas, implica un cambio fundamental en el comportamiento del plasma.

Reccocción magnética

Si un plasma tiene una conductividad finita, puede alcanzar una transformación de los componentes térmicos, magnéticos y cinéticos del total de energía. Contribuyentes de dichos procesos son las corrientes que fluyen en el plasma y su consecuente calentamiento de Ohm (o Joule). Imaginemos en el plasma dos regiones de campo magnético acercándose una a la otra, cada una con una orientación opuesta de las líneas de fuerza. En medio se desarrolla la así llamada, región de difusión. Esto es característicamente un valor bajo de campo magnético. Precisamente aquí viene el cambio de topología de las líneas de campo magnético, las que "intercambian las conexiones" hacia la nueva configuración con menor energía. Durante la reconexión, una corriente eléctrica alta fluye hacia la región de difusión, lo cual calienta el plasma. La energía del campo magnético es transformada en energía térmica del plasma. Un plasma caliente radía intensamente el superávit de energía hacia sus alrededores. El movimiento macroscópico del plasma también es influenciado durante la reconexión. Antes de la reconexión, el plasma se mueve perpendicular las líneas de campo y hacia la región de difusión (flechas rojas en la figura de arriba). Después de la reconexión el plasma es expulsado en la dirección de la orientación original de las líneas de fuerza magnéticas. De acuerdo a la forma de las líneas de fuerza magnética, la mitad de la región de difusión, donde el campo es nulo, algunas veces se le llama punto neutral de tipo X. En la situación tridimensional una curva completa es creada alrededor de la zona con valor nulo del campo magnético. En algunas situaciones una inestabilidad es creada cuando hay una reconexión recursiva de las líneas de fuerza magnéticas con puntos de forma X y O periódicamente repetidos.

Reccocción magnética

Después de la reconexión de las líneas de campo magnéticas emerge un plasmoide (una formación de plasma compacta, la cual puede llevar consigo el así llamado "campo magnético congelado") y chorros -zonas de plasma, que pueden llevarse parte de la energía del campo magnético transformado en energía cinética y térmica.

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Reconexión en el Sol

La eyección de materia coronal desde el Sol pertenece a los fenómenos mejor conocidos en relación a la reconexión de líneas de fuerza magnéticas (las siglas en inglés son CME, Coronal Mass Ejection, o eyección de materia coronal en castellano). En la vecindad de la superficie se encuentre un fuerte campo local (por ejemplo, alrededor de una mancha solar y de las protuberancias). No es infrecuente que en un bucle elongado de campo magnético, ocurra que dos zonas con campos de orientaciones opuestas, queden el uno contra el otro. En ese momento es posible obtener la reconexión de líneas de campo de fuerza y la transformación de la energía liberada en energía térmica. La nube caliente originada radía en su mayoría dentro de la región de rayos X. La nube se puede separar a si misma del Sol y, en la forma de un plasmoide con campo magnético "congelado a hacia su superficie", puede viajar por el sistema solar. Si este objeto colisiona con algún planeta, la onda de choque fluye a través de las cúspides polares (regiones parecidas a embudos en la vecindad de los polos magnéticos del planeta) penetrando la magnetósfera del planeta. Esto genera el brillo polar o auroras polares, tormentas magnéticas y algunos otros fenómenos acompañantes. Aun más, en el año 2000 uno de los plasmoides expulsado desde el Sol "planeó" las magnetósferas de la Tierra, Júpiter y Saturno.

Reconexión en el Sol, CME

El seguimiento de los "exudados" de la materia coronal es muy importante. La eyección de un plasmoide (siempre que vuele en la dirección hacia la Tierra) puede inducir una tormenta magnética y el surgimiento de una diferencia de potencial, la cual puede dañar las redes de distribución de corriente eléctrica. Clasificamos a las CMEs, de acuerdo a la medida de la intensidad de sus llamaradas acompañantes en rayos X, en B, C, M y X.

Clasificación de una llamarada o protuberancia en rayos X Flujo de energía Descripción
B < 10−6 W/m2 sin pico significativo en rayos X
C 10−6÷10−5 W/m2 protuberancia o llamarada pequeña
M 10−5÷10−4 W/m2 llamarada mediana
X >10−4 W/m2 llamarada intensísima

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Magnetósfera de la Tierra

La reconexión de las líneas de fuerza magnéticas sucede con frecuencia en la magnetósfera de la Tierra. En el lado "diurno" (hacia el Sol) sucede una conexión de las líneas de fuerza magnéticas del campo magnético interplanetario y las del campo magnético de la Tierra en sí. Si la dirección de las líneas de fuerza son opuestas y, desde el Sol, fluye hacia nosotros una corriente aumentada de plasma solar, esto puede conducir a una reconexión entre los dos tipos de líneas fuerza. Las partículas cargadas pueden entonces penetrar las capas superiores de la atmósfera a lo largo de las aperturas recién hechas entre las líneas de fuerza, en donde pueden crear el brillo polar. El flujo de plasma "rompe" a la magnetósfera, conduciendo a una tormenta magnética. El plasma alcanza el lóbulo de plasma del lado "nocturno", donde induce todavía más reconexiones de las líneas de campo de fuerza magnético y la creación de plasmoides con campo magnético "congelado" hacia ellos mismos. La reconexión de las líneas de fuerza magnéticas puede ocurrir aún en el caso de que el campo interplanetario sea paralelo a la dirección de las líneas de fuerza del lado diurno. La reconexión de líneas de fuerza es entonces alcanzada lateralmente con respecto de la magnetósfera, para nada en la zona de mediodía local. La energía resultante durante la reconexión es transformada en oscilaciones de baja frecuencia conocidas como "silbadores" o "chiflidos".

James Dungey reflexionó acerca de la posibilidad de la reconexión de las líneas de fuerza magnéticas por primera vez en el año 1961. La reconexión fue observada por primera vez por el satélite POLAR hasta el año 2000. La medición fue completada con las observaciones en el lóbulo de plasma desde el satélite Geotail.

Magnetósfera de la Tierra


Magnetoestrellas

Las magnetoestrellas son estrellas de neutrones con un campo magnético extremadamente fuerte, el cual puede alcanzar valores de hasta 1011 T. Se trata de objetos con el campo más fuerte hasta ahora conocido en el Universo. La superficie de una magnetoestrella crea una corteza a partir de los neutrones y del campo magnético, en la cual ocurren terremotos magnéticos ("magnetómotos") repetidamente. A lo largo del magnetómoto, las líneas de fuerza del campo magnético son perturbadas y deformadas hasta el punto de romperse y reconectarse hacia configuraciones más convenientes. Durante este proceso, una cantidad significativa de energía es liberada, lo cual calienta la corona magnética de la magnetoestrella. Se crea una envoltura caliente de electrones-positrones y fotones (materia caliente no hadrónica, bola ígnea bola de fuego) Los electrones y positrones son atrapados y contenidos por un intenso campo magnético, los fotones escapan en la forma de "llamaradas" de rayos X o de radiación gama suave. A estas estrellas de rayos X poco usuales les llamamos AXP (Anomalous X ray Pulsar o Pulsar de rayos X Anómalo) y en el caso de las llamaradas de rayos gama, SGR (Soft Gamma Repeater o Repetidor de Rayos Gama Suaves). En conjunto, de dichas fuentes se sabe que en nuestra galaxia hay más de diez. Las llamaradas se manifiestan a sí mismas a intervalos irregulares, y hablamos de la así llamada "fase activa de las magnetoestrellas". Algunas veces se alcanza una reconexión catastrófica de las líneas de fuerza magnéticas y un destello gigantesco se manifiesta, la cual es 1000 veces más energética que una llamarada repetitiva normal. Hasta ahora se han observado tres de estos casos (1979, 1998, 2004), en el último ocurrió la liberación de energía más grande hasta ahora, de hasta 1039 J.

Magnetoestrellas Magnetoestrellas SGR 1900+14

Izquierda: Magnetoestrella emergente, una estrella de neutrones con un campo magnético inusualmente intenso de hasta 1012 T. La corteza ya es inestable, explota, un magnetómoto regular se manifiesta, acompañado por destellos de rayos gama suaves. La primera detección fidedigna de una magnetoestrella fue en el año 1998 por Chryssa Kouveliota del Marshall cosmic center en la NASA. El calor es expulsado a través de convección hacia la superficie. Si durante el nacimiento de la magnetoestrella su rotación es mayor a 200 revoluciones por segundo, se crea una combinación de la rotación y de un dínamo convectivo magnetohidrodinámico, una variación en fluidos del dínamo clásico, lo cual induce al surgimiento de un campo magnético intenso.

Medio: Magnetoestrella, en la cual ha ocurrido una reconexión de las líneas de fuerza magnéticas y una llamarada de rayos X o gama. Semejantes llamaradas se repiten muy frecuentemente.

Derecha: Destello gigantesco SGR 1900+14 del día 27. 8. 1998. El destello recorrió todas las regiones del espectro electromagnético. Esta animación esta en la región de ondas de radio del observatorio.

Llamarada gigantesca Fecha Energia liberada
SGR 0525-66 5. 3. 1979 6×1037 J
SGR 1900+14 27. 8. 1998 2×1037 J
SGR 1806-20 27. 12. 2004 2×1039 J

La reconexión de las líneas de fuerza magnéticas es un fenómeno importante, el cual ocurre en la naturaleza con más frecuencia de lo que solíamos pensar. Lo observamos tanto en plasmas cósmicos como de laboratorio y en los últimos años la reconexión magnética obtuvo la atención adecuada de los astrónomos y los físicos del plasma.


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Traducción: Arturo Ortiz Tapia, 2005