La magnetosfera terrestre, al igual que la atmósfera, nunca está en descanso. De sus muchos aspectos dinámicos, quizá el más importante y básico es el llamado "subtormenta magnética", un período de una duración de una hora más o menos, durante el que rápidamente se libera la energía de la cola magnética. Durante las subtormentas en las regiones polares, la aurora se hace extensa e intensa y mucho más agitada, perturbándose también  el campo magnético terrestre. En el espacio, los iones y electrones fluyen en mucha mayor cantidad y a mayores energías, siendo los cambios en el campo magnético mucho más profundos que los vistos sobre la Tierra.

Subtormentas y Tormentas Magnéticas

En el siglo XIX y en la primera mitad del siglo XX, las alteraciones magnéticas que recibían mayor atención eran las "tormentas magnéticas", llamadas así por Alexander Von Humboldt. Esos descensos en el campo magnético eran de alcance mundial y fácilmente observables desde cualquier lugar. Habitualmente, una tormenta necesitaba casi un día para desarrollarse y disminuye paulatinamente a lo largo de los días siguientes.

La tormentas magnéticas eran relativamente raras. Por otro lado, pequeñas "subtormentas" observables principalmente en las regiones polares (¡y en el espacio!) presentaban una estructura clara y parecían ser más básicas. También eran mucho más frecuentes, a menudo separadas por horas.

Por supuesto que las dos están relacionadas y generalmente durante las tormentas magnéticas se observan subtormentas en las regiones polares. Las "Tormentas" se distinguen por la inyección de una apreciable cantidad de iones y electrones de la cola en el cinturón de radiación exterior y su alteración de alcance mundial refleja un rápido crecimiento de la corriente de anillo. Las "Subtormentas" no inyectan generalmente tantas partículas. Así, parece que las tormentas magnéticas son simplemente series de subtormentas muyintensas, pero también están implicados factores adicionales -- en particular, las tormentas magnéticas necesitan estímulos externos tales como la llegada de un frente de choque o un chorro rápido de viento solar.

Subtormentas en la Tierra y el Espacio

Sobre la Tierra el signo más visible de una subtormenta es un gran incremento de auroras polares en la zona de auroras de medianoche. En tiempos normales, a menudo se ven allí arcos de auroras inactivas, pero a continuación del comienzo de una subtormenta, se intensifican, se mueven rápidamente (mayoritariamente hacia el polo) y se expanden, hasta que cubren la mayor parte del cielo. Su actividad aumenta durante una media hora y luego disminuye, pero como ocurre con el tiempo atmosférico, los modelos son muy variables.

También se observan grandes alteraciones magnéticas, hasta las 1000 nT (nanotesla), que es casi el 2% del campo total en la zona de auroras. La perturbación mundial que se observa en una tormenta magnética de un tamaño respetable puede alcanzar hasta las 100nT pero también su origen es mucho más distante, la corriente de anillo que circunvala la Tierra a distancias de decenas de miles de kilómetros. Por otro lado, las corrientes eléctricas asociadas con la subtormenta, bajan a la ionosfera solo a 130 kilómetros por encima del suelo.

(arriba) Registro de los electrones interceptados por el satélite sincrónico ATS 6 el 20 de julio de 1974. Los picos marcan la llegada de electrones en subtormentas y gradualmente desaparecen. Las menores energías que persisten pertenecen a la lámina de plasma en la que estaba inmerso el satélite durante la mitad de su órbita.

Se observaron cambios mucho más profundos en el espacio. Los satélites en órbita sincrónica  que se encuentran cerca de la medianoche cuando irrumpe una subtormenta pueden ver caer a la mitad el campo magnético y su detectores abordo registran la llegada de muchos iones y electrones con (típicamente) 5-50 keV. Esas partículas pueden afectar al vehículo espacial, y en particular, los electrones pueden cargarlo negativamente a cientos o miles de voltios, que podrían interferir con las operaciones normales. Con más de 200 satélites de comunicaciones poblando órbitas sincrónicas, obviamente es una buena razón para el estudio los efectos de las subtormentas en esa zona. Aún más, en la lámina de plasma, se ven a menudo flujos muy rápidos de plasma, típicamente a 100-1000 Km./s.; las partículas de plasma también parecen tener energías mayores de lo normal y  los campos magnéticos cambian rápidamente y de forma errática.

No es fácil reunir las partes juntas en un modelo de esas observaciones ya que la mayor parte de las evidencias provienen de satélites aislados. Lo que parece ocurrir es que las líneas del campo magnético de la cola son primero estiradas hacia la cola y luego liberadas, de una forma comparada con frecuencia al estiramiento y liberación de un tiragomas. Cuando las líneas rebotan hacia atrás, impulsan y energizan los iones y electrones de la región de medianoche, a distancias típicas de 6-15 R_E.

Energía de la Subtormenta

La mayor parte de los fenómenos naturales necesitan un aporte de energía, que luego cambia a cualquier otra forma. Esto también es así en las subtormentas. No parece accidental que ocurran generalmente cuando el campo magnético interplanetario (IMF) se inclina hacia el sur, como se dijo en la discusión sobre la magnetosfera abierta; es un momento en el que las líneas de campo interplanetario pueden estar unidas más fuertemente a las de la Tierra y fluye más energía del viento solar a la magnetosfera.

También es un momento (como se dijo allí) de "reconexión" entre las líneas terrestres e interplanetarias, momento de un más rápido "pelado" de las líneas de campo magnético desde el lado diurno (junto con su plasma), cuando se unen a las líneas del  campo magnético interplanetario y son arrastradas dentro de la cola. Cualquier esquema general de las líneas de campo magnetosféricas muestra las líneas separadas como peinadas: un grupo cerrado del lado diurno, alrededor del mediodía y otro grupo empujado hacia lo lóbulos de la cola y la cúspide marca la separación de los grupos. Un "pelado" incrementado cerca del mediodía cambia el equilibrio: algunas líneas van hacia el sol, más van hacia la cola y la cúspide se desplaza hacia una línea de campo anclada cerca del ecuador terrestre. Este desplazamiento tiene dos efectos:

Primero, debilita el campo magnético terrestre cerca del mediodía, donde el plasma y las líneas de campo han sido peladas, permitiendo al viento solar empujarlas más cerca de la Tierra. Como resultado, cuando el campo magnético interplanetario (IMF) está "hacia el sur", el "morro" de la magnetosfera está a una media de 1 R_E más cerca de la Tierra que con  un IMF "hacia el norte", a una distancia media de 10-11 R_E.

En segundo lugar, se desplaza más campo magnético hacia la cola y sus lóbulos se expanden, almacenando en ellos energía magnética adicional. Se cree generalmente que los lóbulos expandidos son el principal almacén de energía que alimenta las subtormentas. A veces, en subtormentas "limpias" cuando el IMF repentinamente "gira hacia el sur" después de un largo período de tranquilidad, se puede observar esa reserva de energía cargándola, cuando el campo de la cola se intensifica y las líneas del campo magnético en órbita sincrónica se hacen cada vez más alargadas hacia la cola, como en el tiragomas. Esta "fase de crecimiento" dura típicamente unos 40 minutos.

Liberación de Energía

La forma exacta en la que se libera esta energía y el desencadenante que comienza el proceso, es aún sujeto de debate y controversia. Pero se cree de forma amplia que el evento crítico es la formación de un punto neutro en forma de X, o con más probabilidad, una línea neutra extendiéndose a alguna distancia a través de la cola. No es el punto neutro distante de la teoría de Dungey, sino uno adicional formado más cerca de la Tierra, a una distancia de 15 a 30 R_E (dibujo de la derecha).

Entonces comienza la reconexión magnética entre las líneas del campo magnético dirigidas en sentido contrario al norte y sur de la mitad de la lámina de plasma (el "plano ecuatorial"), como se explicó en la  magnetosfera abierta. Cada línea en el lado norte se rompe en dos en la línea neutra y sus partes se empalman a las partes correspondientes de una línea por el lado sur, que está igualmente dividida en dos.

Las mitades rotas y reconectadas de las líneas del lóbulo forman dos nuevas líneas. Una en el lado terrestre, esencialmente una línea terrestre alargada que rebota hacia la Tierra, como un tiragomas suelto. la otra está conectada hacia la cola y debido a que no tiene conexión con la Tierra, es expulsada de la cola. Junto con el plasma que va en ella ( y otro plasma, originariamente más hacia la cola) forma una especie de burbuja de plasma conocida como "plasmoide" (vea el dibujo inferior). El paso de este plasmoide más allá de la cola se ha deducido de las observaciones del  ISEE-3 y del Geotail.

Inicialmente las nuevas líneas reconectadas son las de la lámina de plasma, pero como el proceso absorbe líneas del campo magnético de ambos lados hacia la línea neutra, los lóbulos de la cola se alcanzan pronto. El efecto sobre el campo magnético amontonándose en los lóbulos y sobre la energía almacenada en ellos, es lo más parecido a un alfiler en un balón bien hinchado. Al igual que el orifico del alfiler permite salir el aire y libera la energía almacenada en el balón, así la línea neutra permite a las líneas del campo (con su plasma) salir del lóbulo, reduciendo allí la intensidad y la energía del campo magnético.

En la naturaleza, la energía se conserva. Si desaparece en alguna forma, reaparece en otra: la energía eléctrica consumida por un motor se convierte en energía cinética de movimiento y cuando se detiene el movimiento por la fricción, su energía cinética se convierte en calor. La energía magnética tomada de los lóbulos de la cola también reaparece de diferentes formas.

Algo se convierte en calor, es decir, aumenta la velocidad y por lo tanto la energía de los iones y electrones del plasma (el calor se convierte en la energía cinética de las partículas que se mueven de un modo desordenado, tanto en un plasma como en un gas). El plasma que más probablemente se calienta en este proceso es el que está unido a las líneas de campo reconectadas: como sus líneas provienen de los lóbulos de la cola, cuyo plasma está altamente enrarecido (vea la cola magnética), solo unas pocas partículas comparten esa energía y por consiguiente la cantidad que recibe cada una de ellas puede ser bastante.

Corrientes Eléctricas

Algo de la energía convertida finaliza conduciendo corrientes eléctricas, en un circuito que une la lámina de plasma y la Tierra. Las conexiones son las líneas del campo magnético, que pueden conducir bastante bien las corrientes eléctricas, puesto que los iones y electrones unidos a las líneas se deslizan muy fácilmente a lo largo de ellas.

Como se dijo (sección sobre la cola magnética, dibujada también a la derecha), una gran corriente eléctrica fluye en todo momento a través de la lámina de plasma, desde el borde del amanecer al del anochecer (y luego se cierra a lo largo de la frontera de la magnetosfera). En una subtormenta algo de esta corriente, es posible que sea desviada hacia la Tierra a lo largo de las líneas del campo magnético.

La desviación comienza en la mitad de la lámina de plasma que da al amanecer, donde las corrientes son desviadas para fluir hacia la Tierra a lo largo de las líneas del campo. Luego continúan (mayoritariamente) por la ionosfera y finalmente vuelven al espacio a lo largo de las líneas del campo, hacia el lado de poniente de la cola. La sección rodeada en el medio de la lámina de plasma , donde la corriente que cruza la cola está debilitada, parece ser también la región que está implicada activamente en la subtormenta, pero todavía es materia de controversia el como la subtormenta desestabiliza el flujo ordenado de la corriente que cruza la cola. El flujo de las corrientes eléctricas a lo largo de las líneas del campo puede ser también la clave para la producción de la aurora de la subtormenta como trataremos más tarde.

Subtormentas en Perspectiva

La narración anterior es explícita y ordenada, sugiriendo una imagen bastante clara de como se produce una subtormenta. Realmente, mucho son conjeturas: tenemos algunas corazonadas bastante razonables, pero la naturaleza aún puede sorprendernos. Por ejemplo, los detalles de la reconexión en la cola son difíciles de confirmar, y están siendo discutidas su localización e incluso su existencia.

Aunque la física es muy diferente, podemos comparar una subtormenta con una tormenta meteorológica. Los expertos meteorólogos tienen una visión clara y ordenada de ese fenómeno: su energía está suministrada por la humedad contenida en el aire húmedo y caliente, y los flujos ascendentes forman un movimiento hacia arriba (parecido a la columna central ascendente en el cazo mostrado en la sección sobre la convección), que se extiende hasta gran altura. Podemos describir los procesos controlando el flujo de aire en esa “ascensión” central y la formación de lluvia (e incluso de relámpagos, un fenómeno algo periférico).

Pero la visión de una tormenta real no revela una estructura ordenada: los flujos están cubiertos por las nubes, los modelos están deformados, las tormentas colindantes se afectan entre sí y cada tormenta es de hecho diferente. Un observador mirando desde el suelo encontrará difícil sacar alguna conclusión. Podrá ayudar el lanzamiento de globos con instrumentos dentro de la tormenta, pero si solo disponemos de unos pocos , sus evidencias pueden ser contradictorias, debido a que los movimientos ascendentes se mueven de forma impredecible.

Las subtormentas son también así, pero más difíciles, debido a sus grandes distancias y tamaños, el pequeño número de satélites disponibles y quizá la gran complejidad del fenómeno del plasma. Lo poco que sabemos sobre ellas proviene de observaciones desde el suelo o de tránsitos aislados de satélites, que no se pueden combinar fácilmente, ya que cada tormenta se comporta de forma diferente.

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Proxima Etapa: #25. Corrientes eléctricas desde el Espacio

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