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AURORAS BOREALES Entrevista a JM Piña (autor del Tema), en "A día de hoy" de Alejandro Ávila, por Fco. Izuzquiza el 01/08/2008 en emisora "Punto Radio" RELACIÓN y APARIENCIA CON EL MAGNETISMO LA AURORA Y LAS LÍNEAS DE CAMPO MAGNÉTICO LA CORONA SOLAR y VIENTO SOLAR CORRIENTES ELÉCTRICAS DE LA AURORA ____________________ ASÍ SE ORIGINAN LAS AURORAS
También esos fenómenos, a los cuales se les llama 'subtormentas', han sido en las últimas décadas una permanente preocupación para la seguridad de los astronautas.
Según
Vassilis Angelopoulos, profesor de ciencias de
Cuando dos líneas de campo magnético se aproximan debido a la carga energética del Sol se llega a un límite crítico en el que las líneas se reconectan y convierten la energía magnética en energía cinética y calor. Esa energía es liberada y produciendo una aceleración de los electrones del plasma, de acuerdo con la explicación de los científicos.
Según
Angelopoulos, investigador del Proyecto THEMIS financiado por
"Nuestros datos demuestran claramente y por primera vez, que la reconexión magnética" es el factor desencadenante de esas tormentas cósmicas. THEMIS corresponde a las siglas en inglés de 'Historia Cronológica de Acontecimientos e Interacciones en Macroescala de Subtormentas'. El científico señala que su investigación ha obedecido a la necesidad de pronosticar cuándo ocurren esas tormentas "para que los astronautas entren a sus naves y podamos desconectar los sistemas de los satélites para que no resulten dañados". La aurora es un brillo que aparece en el cielo nocturno, usualmente en zonas polares.
Por esta razón algunos científicos la llaman "Aurora Polar" (o "aurora polaris"). En latitud norte se conoce como "aurora boreal", cuyo nombre proviene de Aurora la diosa romana del amanecer, y de la palabra griega Boreas que significa norte, debido a que en Europa comúnmente aparece en el horizonte de un tono rojizo como si el sol emergiera de una dirección inusual SECRETOS DE LA AURORA POLARAlaska es conocida como un buen lugar para ver la aurora polar, también conocida como "Aurora Boreal". Originalmente, el fenómeno fue llamado "Aurora Borealis", forma latina por "alba del norte", pues puede aparecer como un resplandor en el horizonte septentrional en el más bajo de los 48 estados de los Estados Unidos o en Europa central (en las raras ocasiones en que se produce), como si el Sol estuviera saliendo por la dirección equivocada. Pero en el hemisferio sur ocurre el mismo fenómeno con el resplandor proveniente del sur, por ello, los científicos prefieren llamarle simplemente la "Aurora Polar". La mayor parte de los visitantes de Alaska nunca consiguen ver una aurora pues vienen en verano, cuando los cielos están raramente lo bastante oscuros. Sus habitantes afirman que sólo alrededor del 16 de agosto el cielo se vuelve lo suficientemente oscuro para ver las estrellas, este es el momento cuando la aurora se levanta. Después de esta fecha, la mejor opción que tienes es la de ir a Fairbanks -- y puesto que las más brillantes auroras se producen alrededor de la medianoche (o más tarde debido al huso horario) es posible que debas esperar allí despierto por largo rato. Entonces quizás sea mejor pedirle al recepcionista nocturno de tu hotel que te despierte si un buen espectáculo se hace visible. ¿CÓMO SE ORIGINA UNA AURORA POLAR?
Las auroras aparecen en dos óvalos centrados encima de los polos magnéticos de la Tierra, que no coinciden con los polos geográficos. La posición actual aproximada del Polo Norte magnético es 82.7º N 114.4º O.
El Sol, situado a ± 150 millones de Km de la Tierra, está emitiendo continuamente partículas cargadas: protones, con carga positiva, y electrones, con carga negativa. Ese flujo de partículas constituye el denominado viento solar. La superficie del Sol o fotosfera, se encuentra a unos 6.000 ºC, sin embargo, cuando se asciende en la atmósfera del Sol hacia capas superiores la temperatura aumenta en vez de disminuir, tal y como la intuición nos sugeriría. La temperatura de la corona solar, la zona más externa que se puede apreciar a simple vista sólo durante los eclipses totales de Sol, alcanza temperaturas de hasta 3 millones de grados. El causante de ese calentamiento es el campo magnético del Sol, que forma estructuras espectaculares como se ve en las imágenes en rayos X. Al ser la presión en la superficie del Sol mayor que en el espacio vacío, las partículas cargadas que se encuentran en la atmósfera del Sol tienden a escapar y son aceleradas y canalizadas por el campo magnético del Sol, alcanzando la órbita de la Tierra y más allá. Existen fenómenos muy energéticos, como las fulguraciones o las eyecciones de masa coronal que incrementan la intensidad del viento solar
Las partículas del viento solar viajan a velocidades desde 300 a 1.000 Km/s, de modo que recorren la distancia Sol-Tierra en aproximadamente dos días. En las proximidades de la Tierra, el viento solar es deflectado por el campo magnético de la Tierra o magnetosfera. Las partículas fluyen en la magnetosfera de la misma forma que lo hace un río alrededor de una piedra o de un pilar de un puente. El viento solar también empuja a la magnetosfera y la deforma de modo que en lugar de un haz uniforme de líneas de campo magnético como las que mostraría un imán imaginario colocado en dirección norte-sur en el interior de la Tierra, lo que se tiene es una estructura alargada con forma de cometa con una larga cola en la dirección opuesta al Sol. Las partículas cargadas tienen la propiedad de quedar atrapadas y viajar a lo largo de las líneas de campo magnético, de modo que seguirán la trayectoria que le marquen éstas. Las partículas atrapadas en la magnetosfera colisionan con los átomos y moléculas de la atmósfera de la Tierra, típicamente oxígeno (O), nitrógeno (N) atómicos y nitrógeno molecular (N2) que se encuentran en su nivel más bajo de energía, denominado nivel fundamental. El aporte de energía proporcionado por las partículas perturba a esos átomos y moléculas, llevándolos a estados excitados de energía. Al cabo de un tiempo muy pequeño, del orden de las millonésimas de segundo o incluso menor, los átomos y moléculas vuelven al nivel fundamental, y devuelven la energía en forma de luz. Esa luz es la que vemos desde el suelo y denominamos auroras. Las auroras se mantienen por encima de los 95 Km. porque a esa altitud la atmósfera es tan densa y los choques con las partículas cargadas ocurren tan frecuentemente que los átomos y moléculas están prácticamente en reposo. Por otro lado, las auroras no pueden estar más arriba de los 500-1.000 Km. porque a esa altura la atmósfera es demasiado tenue –poco densa- para que las pocas colisiones que ocurren tengan un efecto significativo. LA ZONA AURORALEsto era un indicio de que la aurora estaba relacionada con el magnetismo terrestre. El otro se encontró al observar con qué frecuencia la aurora había sido vista en varios lugares. Se reveló que el factor importante era la distancia del polo magnético. Este polo está separado del polo geográfico que marca el eje de rotación terrestre, y en este momento se encuentra en el Océano Ártico, un poco al norte del suelo canadiense. El hecho de que se encuentre situado en torno a América quiere decir que los americanos no necesitan ir tan lejos al norte para ver una aurora, como lo dicen los residentes de Siberia, en el otro lado del globo. En los lugares situados a unas 1500 millas del polo magnético es donde la aurora se ve con más frecuencia: más lejos o más cerca del polo magnético son más escasas (son más bien raras en el polo magnético mismo). Fairbanks, Alaska, al borde de la "auroral zone, "es un buen lugar de observación. Lo que normalmente vemos allí son esas quietas cortinas y cintas. Pero no siempre. Algunas veces, cambian de forma rápidamente, avanzan, retroceden o se hinchan de una manera violenta y se vuelven también bastante brillantes. Los científicos llaman a tal explosión violenta y activa una "subtormenta auroral" y hay satélites que aún estudian la liberación de energía, lejos en el espacio, que las causa. Si se tiene suerte, se puede ver quizás una "corona" - una explosión de rayos irradiando en todas direcciones. Esto es causado por la perspectiva - como los rayos del sol detrás de una nube - y quiere decir que los rayos de la aurora están llegando exactamente sobre la cabeza ¿ES RARO VER UNA AURORA POLAR? ¡Depende de dónde usted se encuentre! Si su casa se encuentra en Fairbanks o en Tromso, Noruega o en Fort Churchill, Canadá, en absoluto. No la verá cada noche, pero está presente con bastante frecuencia. En Washington D.C., en Londres o en Beijing, sin embargo, es un acontecimiento raro, sólo visto cuando el sol crea "condiciones de tormenta".
Las tormentas magnéticas expanden la zona auroral hacia lugares más distantes del polo magnético -- tales como Washington, Londres o Beijing -- y crean también brillantes auroras. Si esto ocurre en una noche despejada, los residentes de estas ciudades pueden ver una aurora, pero es un raro agasajo. A la derecha hay una imagen satelital de una aurora extendiéndose hacia el más bajo de los 48 estados de los Estados Unidos (nótese Florida bordeada por sus luces urbanas). Más tarde ese día, en marzo de 1.989, la aurora se expandió de hecho mucho más hacia el sur, pero ningún satélite estaba en posición de fotografiarla. La siguiente imagen, abajo, es de una aurora del 2.001 vista en Purcellville, Virginia. ELECTRONES DE LA AURORAPara los primeros observadores, y también para los del siglo XX, la aurora polar era un gran misterio. Incluso ahora no todo está resuelto -- pero gracias en gran parte a los satélites espaciales tenemos una buena comprensión de la manera como la aurora es producida.
Electrones pequeñas partículas cargadas de carga eléctrica negativa contenidas en todas las materias. En el centro de cada átomo se encuentra un núcleo que contiene casi toda su masa y que lleva siempre una carga de energía positiva. La carga positiva atrae electrones y se une a ellos, y una vez juntos los dos tipos producen un átomo ordinario, eléctricamente neutral, sin exceso de carga de ningún tipo. Átomos como estos lo constituyen a usted, a mí y a todo lo que podemos ver en la Tierra.
CORRIENTES ELÉCTRICAS DE LA AURORAEl mismo proceso es también esencial para la aurora. Mencionamos anteriormente que existen abundantes corrientes eléctricas que fluyen a lo largo de líneas de campo magnético desde la estela hasta las regiones polares y regresan de nuevo en dirección de la Tierra en el lado matutino de la medianoche y que salen en el lado vespertino (esto en lo que se refiere al circuito principal - un circuito secundario también existe). Un mapa de estas corrientes fue primeramente trazado en 1973 por dos científicos estadounidenses, Al Zmuda y Jim Williamson - no con la ayuda de una misión de investigación espacial bien organizada, pero utilizando un pequeño experimento que voló a cuestas de un satélite de navegación militar de la Marina de los EEUU. Estas corrientes se conocen ahora como las "corrientes de Birkeland", en honor al noruego quien fue el primero en proyectar rayos de electrones sobre un imán en el vacío.
Las corrientes a lo largo de las líneas de campo magnético se nos revelan como cargadas casi completamente por electrones -- que descienden hacia el lado oeste de la medianoche de la Tierra elevándose de nuevo al este del mismo (siendo negativos, su flujo se opone al de la corriente). A la luz de lo que hemos mencionado poco antes acerca de la "fuerza espejo", la cual repele las partículas atrapadas de las regiones de intenso campo magnético, uno puede preguntarse cómo esta fuerza afecta el flujo de electrones que lleva estas corrientes. Donde los electrones se mueven hacia arriba, la fuerza espejo no es un problema, -- al contrario, ayuda a empujar los electrones fuera de la Tierra hacia campos magnéticos más débiles. Sin embargo, la historia es diferente en los lugares donde éstos caen. La fuerza espejo mantiene las partículas del cinturón de radiación fuera de la atmósfera de una manera segura -- pero allí, estos electrones alcanzan mejor las capas superiores de la atmósfera (donde la corriente puede continuar horizontalmente hacia la otra rama) Si no, ¡el circuito eléctrico permanecería abierto! Entonces, ¿qué es lo que sucede? En nuestras casas ninguna corriente eléctrica puede fluir al menos que una suerte de presión eléctrica la empuje -- una presión que llamamos "voltaje". En casa mide aproximadamente 220 voltios (en realidad varía al ser CA) Las corrientes del espacio también tienen un voltaje que las empuja, algo como 40.000 voltios. En casa, si un obstáculo está colocado en el circuito - una resistencia eléctrica, como una bombilla -- el voltaje se concentra allí para ayudar a empujar la corriente a través del atasco. ¡Lo mismo sucede en el espacio, donde el atasco es la fuerza espejo al final de la línea de campo y, para superarla, algo como 5.000 - 15.000 voltios está concentrado allí, empujando estos electrones a través de ella.
Bueno -- al menos un tipo de aurora. También existen otros tipos. El magnífico "anillo de fuego" alrededor del polo magnético, que se ha mostrado en imágenes satelitales es de hecho, un tipo diferente. Es muy tenue para el ojo humano, pero fácil de ver para una nave espacial. Pero los arcos brillantes que vemos desde el suelo están usualmente asociados con corrientes eléctricas que fluyen desde la Tierra hacia el espacio - hacia algún lugar del espacio. (Puede ser confuso, pero para una vieja convención tales corrientes fluyen de (+) a (-) Sin embargo, cuando electrones negativos se dirigen hacia abajo, las corrientes que ellos conducen fluyen hacia arriba). Para recapitular, los electrones deben superar la "fuerza espejo" del fuerte campo magnético cercano a la Tierra que intenta dejarlos fuera, y lo hacen con una concentración de voltaje.
APARIENCIA Y RELACIÓN CON EL MAGNETISMODos cosas acerca de estos rayos. Una, los rayos brillantes desaparecen mientras los pálidos brillan en su lugar - un poco como las llamas de una hoguera, igualmente hipnotizantes. Algunas auroras son de un rojo intenso y sólo pueden ser de un brillo informe -- o pueden tener rayos también. Y segundo, la dirección de estos rayos está relacionada con el magnetismo de la Tierra. Cualquiera que haya usado alguna vez una brújula sabe que la tierra es un imán gigante. La aguja de la brújula apunta normalmente hacia uno de los dos puntos localizados cerca de los polos geográficos, los polos magnéticos de la Tierra. Pero esta brújula no muestra todo debido a que está colocada horizontalmente. De hecho, la fuerza magnética apunta no sólo hacia el norte sino también se inclina hacia la Tierra. La aguja de la brújula cuidadosamente balanceada en un eje horizontal ("brújula de inclinación") apunta hacia esta dirección inclinada cuando se le permite moverse en un plano vertical norte-sur. De hecho, el ángulo se hace más pronunciado mientras más se acerca uno al polo magnético. En el polo la fuerza es vertical. Los rayos de la aurora siguen fielmente esta dirección inclinada
¿Y qué es lo que conecta el patrón de la aurora con la región de las fuerzas magnéticas de la Tierra -- el "campo magnético" de la Tierra, como se le conoce? Tal región, que se extiende lejos en el espacio, necesita un método apropiado para describirla. Tal método está dado por las líneas de campo magnético, o como se les llamó una vez, "líneas de fuerza magnética." Existen oportunidades de que ustedes hayan visto un dibujo de las líneas de campo de una barra magnética. Para definir las líneas de campo más precisamente, imagínense que tienen una aguja de brújula flotando en el espacio, capaz de señalarnos la dirección exacta de la fuerza magnética en tres dimensiones. En este lugar, dicha aguja apuntará siempre hacia la dirección de la línea de campo magnético . Al norte del ecuador, dichas líneas convergen hacia la región cercana al polo magnético norte, exactamente como las de la barra magnética. Entre 1895 y 1907 el físico noruego Kristian Birkeland intentó estudiar su comportamiento en un laboratorio. Dentro de una cámara de vidrio al vacío colocó una esfera con un imán en su interior --la llamó "terrella", término latino por "pequeña Tierra"-- y le dirigió un rayo de electrones. Para su sorpresa y satisfacción, el imán condujo el rayo directamente hacia un lugar alrededor de los polos magnéticos de esta pequeña esfera, produciendo allí, al golpear, un visible resplandor. Probablemente él pensó-- ¡Ah, así es cómo ocurre! Resultó que (y omito muchas explicaciones) electrones negativos e iones positivos están igualmente guiados en el espacio por líneas de campo magnético. Describen espirales alrededor de éstas, mientras se deslizan a lo largo de las espirales como cuentas en un hilo. Debido a que las líneas de campo de Birkeland alcanzaron la terella cerca de sus polos magnéticos, este es el lugar donde sus electrones cayeron.
De manera similar, las líneas de campo magnético de la Tierra guían electrones de la aurora para caer en la zona auroral. ¡No es de impresionar que los rayos de la aurora apunten a lo largo de tales líneas! Cada uno ha sido producido por un rayo de electrones que permanece en sus propias líneas de campo en su camino hacia la atmósfera. ¿Pero de dónde partieron estos electrones? EL CINTURÓN DE RADIACIÓNSe necesita otro detalle, un proceso llamado reflexión sin el cual la Tierra no podría tener ni aurora ni cinturón de radiación Los cinturones de radiación fueron descubiertos por los primeros satélites artificiales americanos, el Explorer 1 y el Explorer 3. En octubre de 1957 la Unión Soviética impresionó a los Estados Unidos al lanzar inesperadamente sus dos satélites "Sputnik" mientras que el "Vanguard", entrada estadounidense a la carrera espacial, estallaba en llamas durante el lanzamiento a la entera vista de las cámaras. El disminuido prestigio de los Estados Unidos fue redimido un poco al comienzo de 1958 cuando instrumentos a bordo de los satélites en el espacio, diseñados y operados por el grupo de la Universidad de Iowa dirigido por James Van Allen, detectaron un cinturón permanente de iones atrapados rodeando la Tierra. Se reveló que eran protones - núcleos atómicos de átomos de hidrógeno despojados se su único electrón. Se afirmó anteriormente que los electrones o protones tendían a ser guiados por líneas de campo magnético como cuentas en un hilo. Los que guiaron las partículas del cinturón de radiación tienen una forma típica - salieron de la región polar meridional de la Tierra, describieron un gran arco a través del ecuador y regresaron a la Tierra cerca del polo norte. Pero si la analogía de las cuentas en el hilo fuese completa - ¿se deslizarían las partículas atrapadas hasta el final de estos cables, luego golpearían la Tierra y se perderían? Esto es bastante cierto - salvo que la analogía no es perfecta. El final de estas líneas también experimenta una fuerza magnética mucho más fuerte al estar mucho más cerca de la Tierra que otras partes y esta es la razón por la cual estas cuentas son repelidas. Al ser repelidas de la región de la fuerte fuerza magnética evitan que los iones y electrones atrapados alcancen la atmósfera. En lugar de ser absorbidos son "reflejados" de aquí para allá - en algunos casos, ¡por años! LA CORONA SOLAR Y EL VIENTO SOLARLos procesos físicos requieren usualmente de una fuente de energía que los conduzca. Piense en la energía como en una fuente de dinero, ¡que paga por cada uno de los procesos físicos! Cualquier objeto que se mueve a gran velocidad necesita energía para hacerlo - su "energía cinética"- y si la aurora contiene rayos de electrones que se mueven a 1/10 de la velocidad de la luz, algo debió haber pagado el precio, debió haber suministrado la energía. Sin sorpresas es el Sol. De hecho, ¿por qué no? Después de todo, el Sol alimenta casi todos los procesos en la Tierra: los alimentos que comemos, el carbón y la gasolina que quemamos, los vientos que soplan y la lluvia que riega la tierra - nada existiría sin la energía suministrada por la luz solar. Con la aurora, sin embargo, no se trata de la luz sino de algo más sutil, el llamado viento solar.
Durante un eclipse total de sol, uno puede ver la capa más remota de su atmósfera, la corona, un halo resplandeciendo alrededor del oscurecido Sol. Se reveló (al examinar su luz) que la corona es increíblemente caliente - alrededor de un millón de grados centígrados, cerca de 2 millones de Fahrenheit. Este calor extremo arrancará los electrones de cualquier átomo volviendo la corona una "sopa" de iones y electrones libres, un extraño gas conocido como "plasma", el cual (entre otras cosas) conduce electricidad. Ustedes quizás utilizan tubos fluorescentes o han visto luces de neón - ellos tienen plasma dentro de ellos (no tan caliente como la corona) que transporta su corriente eléctrica y produce su luz. El plasma de la corona es demasiado caliente para que la gravedad del Sol lo mantenga cautivo. Al contrario, se expande constantemente fuera del Sol y sale proyectado como el viento solar llenando el sistema solar, alcanza la Tierra y llega mucho más lejos aún, más allá de la órbita de Plutón. El campo magnético de la Tierra, sin embargo, es un obstáculo que el viento solar no puede penetrar, como un río que se topa con una roca, se separa y es desviado para fluir a su alrededor. Alrededor de la Tierra se forma una cavidad protegida del viento solar y conocida como la magnétosfera de la Tierra. Y así como una roca en un río deja una larga estela protectora detrás de sí, el espacio magnético de la Tierra tiene una larga estela en su lado nocturno -- algunos la llaman la "cola magnética ." Pero incluso aunque el viento solar sea retenido en el exterior puede transmitir a la magnetosfera alguna energía eléctrica al rozarla -- en particular a la región de la estela. Permítanme decir aquí que la estela es el lugar de dónde parece provenir la mayor parte de los electrones de la aurora, y es la razón por la cual en Fairbanks la aurora más brillante tiende a producirse alrededor de la medianoche -- incluso en el invierno del Ártico cuando el cielo es también oscuro en otros momentos del día. En casa, la energía es llevada por corrientes eléctricas que circulan desde las tomas hacia las lámparas, los aparatos y la televisión. La energía del viento solar también alcanza la magnetosfera (al menos en parte) por medio de corrientes eléctricas. Los satélites han observado estas corrientes cerca de la Tierra: circulan dentro y fuera de la zona auroral a lo largo de líneas de campo magnético - en el caso del circuito principal, la entrada del circuito se encuentra en el lado matutino de la medianoche, la salida en el lado vespertino, y las dos ramas se conectan (¡pues todo circuito eléctrico debe ser cerrado!) a través de la alta atmósfera, la cual (como lo hemos señalado) conduce electricidad. Podríamos quizás decir que aún estamos buscando dónde se encuentra el enchufe.
Ver más imágenes de AURORAS BOREALES Science Jul / 2008 David P. Stern - De la conferencia presentada en Anchorage, Alaska, el 11 de agosto del 2002 ____________________ OTROS TEMAS DE INTERÉS EN ESTA WEB ÍNDICE TEMÁTICO ordenados alfabéticamente, sobre necesarios en astrofotografía 30 PREGUNTAS ANTE LA COMPRA DE TELESCOPIOS COMO FOTOGRAFIAR CON TELESCOPIOS
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