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#23. La Cola de la Magnetosfera

En contraste con el lado diurno de la magnetosfera, comprimido y confinado por el viento solar, el lado nocturno está estirado en una larga "cola magnética". Esta parte de la magnetosfera es muy dinámica, en ella tienen lugar grandes cambios, y donde a menudo los iones y electrones están energizados.

    La cola magnética es también el origen principal de la aurora polar. Antes de que los observadores de la era espacial notaran que en el invierno ártico, cuando el cielo está oscuro casi todo tiempo, se veían las auroras brillantes en las horas próximas a la medianoche. Se creía que los electrones de las auroras provenían del Sol y el hecho de que la aurora pareciera concentrarse en la parte que miraba al lado contrario al Sol desconcertaba a todo el mundo. Estas observaciones tuvieron mucho más sentido después de que los satélites descubrieran y cartografiaran la larga cola de la magnetosfera.

Los Lóbulos de la Cola

La mayor parte del volumen de la cola lo forman dos grandes haces de líneas de campo casi paralelas (vea el dibujo). El haz al norte del ecuador apunta hacia el este y cubre una región casi circular que incluye al polo norte, mientras que el haz sur apunta hacia fuera de la Tierra y está unido a la región polar sur.

Estos dos haces, conocidos como "lóbulos de la cola", se extienden lejos de la Tierra: el ISEE-3 y el Geotail lo encontraron bien definido incluso a 200-220 RE (Radios terrestres) de la Tierra. A esas distancias, los lóbulos estaban ya penetrados por algo del plasma del viento solar, pero cerca de la Tierra están casi libres. Podemos comparar las densidades típicas de plasma:

Viento solar cerca de la Tierra  6 iones/cm3 
Lado diurno de la magnetosfera exterior  1 ion/cm3

"Lámina de plasma" que separa

los lóbulos de la cola

0.3 -- 0.5 iones/cm3
Lóbulos de la cola 0.01 ion/cm3

Esta densidad tan baja nos sugiere que las líneas de campo del lóbulo se conectan finalmente al viento solar, en algún lugar lejos de la Tierra. Los iones y electrones pueden así fluir fácilmente a lo largo de las líneas de campo de los lóbulos, hasta que son barridos por el viento solar; pero algunos, muy pocos, iones del viento solar se pueden oponer al flujo general del viento y encaminarse hacia la Tierra. Con este tráfico en un solo sentido, poco plasma permanece en los lóbulos.

La Lámina de Plasma

Separando ambos lóbulos está la "lámina de plasma", una capa de plasma denso y con un débil campo magnético, centrado sobre el ecuador y con un grosor típico de 2-6 radios terrestres. Al contrario de las líneas de campo de los lóbulos de la cola, las de la lámina de plasma cruzan el ecuador, aunque están muy dispersas. Un débil campo magnético significa que el plasma está menos controlado aquí que cerca de la Tierra y así, en ocasiones se desparrama o se agita a su  alrededor.

En la magnetosfera nos hemos encontrado con dos sistemas de corrientes eléctricas, la corriente de anillo transportada por el plasma atrapado y la corriente de la magnetopausa que confina la magnetosfera en el interior de una cavidad del viento solar, es una corriente que fluye sobre la superficie de esa cavidad. Un tercer sistema es la corriente que atraviesa la cola, que fluye a través del plasma desde el amanecer al anochecer (ver dibujo).

Es fácil ver que la cola debe contener corrientes adicionales para alargar los lóbulos de la cola añadiendo un campo magnético a la magnetosfera. Cualquier campo magnético en el espacio necesita una corriente eléctrica que lo produzca y se puede considerar que la corriente que atraviesa la cola sea la causa de los lóbulos de esta. Al igual que cada corriente eléctrica estable, también debe establecer un circuito cerrado y el cierre sucede en las dos ramas que siguen a la magnetopausa alrededor de la cola.

La Aurora Difusa

Debido al débil campo de la lámina de plasma, los iones y los electrones de la lámina están constantemente agitados y algunos de ellos, especialmente los electrones, se fugan continuamente por los extremos de sus líneas de campo magnético. Cuando estos electrones se aproximan a la Tierra, la mayoría de ellos rebotan gracias a la acción de la convergencia de las líneas de campo (vea la sección sobre  partículas atrapadas ), pero algunos alcanzan la atmósfera y se pierden, produciendo durante este proceso una aurora difusa. Generalmente la vista no puede  ver extenderse este resplandor, pero las cámaras de los satélites lo hacen muy bien, mostrando un "anillo de fuego" rodeando la mayor parte del tiempo los casquetes solares, de forma parecida a la foto.

La aurora difusa fue descubierta en 1972 por el vehículo espacial canadiense ISIS 2, y se expande y contrae cuando los lóbulos de la cola se hinchan o se contraen debido a las variaciones en el viento solar y en su campo magnético. Fue ampliamente observado, entre otras, por la misión US Dynamics Explorer (1981-7) y más recientemente por los satélites suecos Viking (1986) y Freja (1992) y actualmente por el observatorio ISTP sobre el "Polar" .

Convección de Plasma

Si el plasma de la cola se fuga constantemente de la lámina de plasma, llegarán nuevos iones y electrones que ocuparán su puesto o sino la lámina se reduciría drásticamente y el extenso campo de la cola se colapsaría rápidamente. ¿Cómo se proporciona plasma nuevo?

La teoría de la reconexión de James Dungey sugiere un tipo de respuesta. Recuerde (en la sección sobre la magnetopausa) que en un plasma ideal, los iones y electrones que comparten una línea de campo se mueven juntos y continúan compartiéndola siempre ("como las cuentas de un collar"). Dungey proporcionó una excepción a esta regla, que es la de que cuando el plasma fluye a través de un "punto neutro" o "línea neutra", en el cual la fuerza magnética sea cero, los plasmas a ambos lados de ese punto se pueden separar y pueden "reconectarse" a líneas de campo diferentes.

Dungey sugirió que tal punto neutro existía en el frente de la magnetopausa  (marcado con la N en el dibujo). Propuso que las líneas de campo interplanetarias (con su plasma) se enlazaban aquí con las terrestres, formando líneas compuestas como la marcada con el "3" en el dibujo.
Esa línea incluye una curva cerrada: la mayoría del plasma sobre la sección más allá de la curva es interplanetario, la mayor parte del de la sección más cercana a la Tierra es terrestre. Sin embargo, ambos plasmas se mueven conjuntamente, compartiendo la misma línea y mezclándose lentamente.

Un momento después, esa línea se habrá movido hacia la derecha, a la posición de la línea "4", luego a la posición "5", y luego, quizá media hora más tarde, se volverá a invertir el proceso de reconexión en algún lugar aguas abajo de la Tierra, en un punto o línea neutra cerca del número "6". Las partes interplanetarias se juntan de nuevo y fluyen lejos, y también se reúnen las mitades terrestres.

Despreciando las pérdidas en los puntos de los límites, como la curva cerrada en la línea "3" ( y pasando por alto algo importante, aun no completamente entendido, de la física del plasma), comprendemos que el proceso anterior puede transportar hasta la distante cola, plasma cercano al mediodía, al principio en la parte de la Tierra de la curva de la línea "3". Dungey propuso que entonces el plasma fluiría de nuevo hacia la Tierra, por la lámina de plasma.

Esto crearía una circulación constante de plasma en la magnetosfera y también proporcionaría nuevos iones y electrones a la lámina de plasma, desde la proximidad de "6". El proceso, llamado frecuentemente "convección", nombre usado para denominar a los flujos circulantes producidos por el calor, como por ejemplo el flujo del agua en una cazuela calentada (dibujo).

En este punto deberemos observar de nuevo las propiedades de la línea compartida.

Si todas las partículas de una línea de campo se mueven conjuntamente, cuando el plasma de la cola se conduce hacia la Tierra, las partículas sobre las mismas líneas de campo, pero encima de la atmósfera se deberán mantener con ellas. Los flujos de plasma en esa región, consecuentes con la predicción de Dungey, han sido observados realmente por antenas de exploración y por "instrumentos de dirección" abordo de satélites cercanos a la Tierra, en órbitas que cruzan las regiones polares a baja altitud. También se ha medido el campo eléctrico asociado con ellas y por esta razón, la mayoría de científicos apoyan ahora la idea del plasma en circulación. 

Sin embargo, en la propia cola, ha sido difícil confirmar el flujo hacia la Tierra, aparenta ser más bien errático, penetrando a golpes y estallidos, especialmente durante las subtormentas magnéticas. Es difícil de precisar el distante punto neutro "6" usando solo satélites aislados, y los otros procesos del plasma pueden también jugar un papel rompiendo las líneas temporales entre las líneas de campo terrestres (con su plasma) y el espacio interplanetario. Las observaciones del "Geotail" sugieren que esta separación ocurre a unos  70-100 RE en el lado nocturno.


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Author and Curator:   Dr. David P. Stern
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Co-author: Dr. Mauricio Peredo

Spanish translation by J. Méndez

Last updated 20 February 2000, traducir 8 May 2001

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Curators: Robert Candey, Alex Young, Tamara Kovalick

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