Capas de la tierra.
Para poder entender cómo se disuaden los efectos de fenómenos descritos anteriormente hay que conocer las distintas capas que envuelven la tierra y que, en su conjunto, forman la atmósfera.
La atmósfera está formada por 5 capas. En orden ascendente desde la superficie encontramos en primer lugar la troposfera, que es en la que coexisten todos los seres vivos y abarca una altura aproximada de 10 km sobre la superficie. Más allá de la troposfera las condiciones no permiten el desarrollo de la vida. Es en esta capa donde se producen los fenómenos meteorológicos provocados por el calentamiento desigual de diferentes regiones terrestres que provocará la creación de corrientes y vientos y en consecuencia las borrascas y anticiclones. En la parte más alta encontramos la troposfera, una capa limítrofe con temperaturas bajas muy estables y a partir de la cual, el vapor de agua no puede seguir ascendiendo.
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| Fuente: El Popular |
La segunda capa en este orden sería la estratosfera que extiende desde tropopausa sobre unos 10-15 km de altura hasta 45-50 km. La temperatura más baja de esta capa la encontramos en su parte inferior pues, conforme ascendemos, se va absorbiendo más radiación. Esto se debe a la presencia de la capa de ozono situada entre los 30 y 40 km de altura. La capa de ozono es una zona donde la concentración de ozono estratosférico es mucho mayor que en el resto de la atmósfera. El ozono nos protege de los rayos dañinos del sol, sin embargo, cuando el ozono se da en la superficie terrestre es un fuerte contaminante atmosférico que provoca enfermedades cutáneas, respiratorias y cardiovasculares. En esta altura tienen lugar vientos horizontales con rachas de 200 km/h, repartiendo contaminantes como CFC por toda la superficie de la capa de ozono y es aquí donde radica su peligro. Al final de la estratosfera encontramos la estratopausa donde se terminan las altas concentraciones de ozono y encontramos una temperatura estable alrededor de 0ºC.
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| Fuente: Ciencia Geográfica |
La capa superior a la estratosfera es la mesosfera. Es la capa de la atmósfera que se extiende desde los 50 km hasta los 80 km. Su temperatura desciende en altitud. Esta capa de la atmósfera, a pesar de ser fría, es capaz de frenar a los meteoritos al precipitarse en la atmósfera donde se van quemando, de esa forma dejan rastros de fuego en el cielo nocturno.
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| Fuente: Metereología en Red |
Es la capa más delgada de la
atmósfera, ya que sólo contiene el 0,1%
de la masa de aire total y en ella se pueden alcanzar
temperaturas de hasta -80 grados. En esta capa ocurren importantes reacciones
químicas y debido a la baja densidad del aire, se forman diversas turbulencias
que ayudan a las naves espaciales cuando vuelven a la Tierra, ya que empiezan a
notar la estructura de los vientos de fondo y no sólo el freno aerodinámico de
la nave.
Al final de la mesosfera se encuentra la mesopausa que separa la mesosfera y la termosfera. Se encuentra a unos 85-90 km de altura y en ella la temperatura es estable y muy baja. En esta capa tienen lugar las reacciones de quimioluminiscencia y Aero luminiscencia.
Tras la mesopausa encontramos la termosfera, capa más amplia de la atmósfera que se extiende desde los 80-90 km hasta los 640 km. Apenas queda aire y las partículas que existen en esta capa se ionizan por la radiación ultravioleta. A esta capa también se le llama ionosfera debido a las colisiones de los iones que tienen lugar en ella. La ionosfera toma un papel importante en la propagación de las ondas de radio.
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| Fuente: Wordpress |
La temperatura llega a ser
de miles de grados Celsius.
Todas las partículas que se encuentran en la termosfera están altamente
cargadas de energía proveniente de los rayos del sol. Otro dato de interés
científico es que los gases no se encuentran dispersados de manera uniforme
como ocurre con las anteriores capas de la atmósfera.
En la termosfera nos encontramos con la magnetosfera. Es aquella región de la atmósfera en la que el campo gravitatorio terrestre nos protege del viento solar y que va a ser protagonista de este trabajo de investigación.
La capa más alejada de la superficie terrestre es la exosfera y debido a su altura, es la más indefinida y por eso no en sí considerada una capa de la atmósfera. Se extiende entre los 600-800 km de altura hasta los 9.000-10.000 km y separa el planeta Tierra del espacio exterior. Deja escapar átomos y está compuesta, en su mayoría, por hidrógeno.
¿Qué es un campo magnético? Introducción
Un campo magnético tiene lugar con el movimiento de las
cargas eléctricas, como por ejemplo, en un imán: donde se mueven los electrones
que tienen carga negativa del polo norte al sur. Los polos magnéticos no son el
origen del campo magnético sino una consecuencia del mismo
El campo magnético terrestre se originó con los movimientos de metales líquidos en el núcleo del planeta y se extiende desde el núcleo, atenuándose progresivamente en el espacio exterior.
Quizás te preguntes, ¿Por qué metales líquidos en movimiento forman un campo magnético? Bien, un metal está compuesto de partículas entre las que encontramos los electrones. Cuando este metal se encuentra en reposo, los electrones de cada una de sus partículas tienen un vector diferente, que en su conjunto se anulan. Sin embargo, cuando todos los electrones tienen un movimiento en un sentido, cambia el sentido de estos vectores a la misma y se suman, provocando un flujo de cargas que crean el campo magnético.
Este fenómeno terrestre, provoca efectos electromagnéticos en la magnetosfera que nos protegen de la radiación espacial, el viento solar y los rayos cósmicos. Además, permite fenómenos muy diversos, dando lugar a la orientación de las rocas en las dorsales oceánicas, la magnetorrecepción de algunos animales y la orientación de las personas mediante brújulas.
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| Fuente: Naukas |
Antecedentes históricos sobre la
magnetosfera.
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| Walter Maurice Elssaser |
Walter
Maurice Elsasser (1904–1991), físico estadounidense de origen alemán, fue el
primero en sugerir que la rotación de la Tierra crea, en el núcleo de hierro
fundido, lentos remolinos que giran de oeste a este, generando una corriente
eléctrica.
Este
proceso crea el equivalente a un imán interno, que se extiende hacia el norte y
al sur, y que es responsable del campo magnético terrestre, orientado a lo
largo de su eje de rotación, de modo que los polos magnéticos están situados
muy cerca de los polos geográficos norte y sur.
En
1939, postuló la teoría de la existencia de corrientes parásitas en el núcleo
líquido del planeta, cuya existencia se confirmó más tarde gracias a las exploraciones
que se llevaron a cabo mediante el empleo de satélites artificiales. En
la década de 1940, propuso el modelo de la teoría de la dinamo, que atribuye el
campo magnético de la Tierra al movimiento del núcleo externo de hierro de la
Tierra.
Finalmente en 1958, el
Explorer 1, el primero de la serie de Explorador de misiones espaciales, se
puso en marcha para estudiar la intensidad de los rayos cósmicos sobre la
atmósfera y medir las fluctuaciones en esta actividad magnética. Gracias a esta
expedición fue posible la descripción de la magnetosfera tras el análisis de
datos recogidos por contadores Geiger con los que iba equipado. Al mismo tiempo
se descubrieron los cinturones de radiación o Van Allen.
Actualmente existen
numerosas líneas de investigación abiertas sobre este campo, como por ejemplo
el cuarteto de satélites de la ESA dedicado al estudio de la magnetosfera
terrestre (Clúster) y la Magnetospheric
Multiscale Mission de la NASA, lanzada el 13 de marzo de 2015 con el mismo
objetivo de estudio, el de definir los parámetros de esta capa y poder hacer
predicciones sobre su estado.
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| Magnetospheric Multiscale Mission. NASA |
Nuestro interés por los viajes espaciales nos lleva a poner esta capa en el punto de mira pues, en un hipotético viaje a Marte, atravesaríamos este factor de protección y nos lleva a preguntarnos como podría a un astronauta afectar su ausencia, así como plantear suposiciones sobre cómo evitar tales consecuencias.
Descripción
La magnetosfera que es parte
de un sistema dinámico e interconectado que responde a las condiciones solares,
planetarias e interestelares. En la dirección al Sol, la magnetosfera se
extiende aproximadamente 60.000 kilómetros, sin embargo, en la dirección
opuesta se estira formando una cola que puede extenderse hasta millones de
kilómetros.
Sin embargo nos preguntamos;
¿Por qué el campo terrestre es un obstáculo para el viento
solar?
La respuesta es que las
líneas del campo magnético interplanetario (IMF) son transportadas junto al
viento solar como si fueran “cuerdas” y como si los iones en movimiento fuesen
cuentas engarzadas en ellas. Una "cuenta “en una línea de campo solar
deberá permanecer siempre en
esa línea de campo y, a excepción de que otras líneas de campo de diferentes
fuentes se entrecrucen con ella, nunca estará en una línea conectada con la Tierra.
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| Fuente: Antonio Heras |
En la magnetosfera las distancias se miden a menudo en radios terrestres (RT), siendo un radio terrestre de 6371 Km. De este modo, la distancia desde el centro de la Tierra al "morro" de la magnetosfera es de unos 10,5 RT y hasta los costados es de unos 15 RT, mientras que el radio de la lejana cola es de 25-30 RT. Como referencia, la distancia media a la Luna es de unos 60 RT.
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Dimensiones aproximadas de la Magnetosfera (en Radios Terrestres)
Fuente: Wikipedia |
Sin embargo, son solo
distancias medias puesto que la presión del viento solar aumenta y disminuye y,
cuando lo hace, la magnetopausa se contrae o se expande. Por ejemplo, cuando es
golpeada la frontera por un flujo rápido procedente de una eyección de
masa de la corona, empuja su "morro" hasta más allá de la órbita
sincrónica a 6,6 RE.
Regiones de la magnetosfera
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| Fuente: Ecured |
En orden secuencial de capa más exterior a interior encontramos, en primer lugar, el frente de choque. A 10,5 RT el inicio de la influencia magnética como resistencia a las radiaciones espaciales.
Al frente de choque le sigue la magnetovaina que es, en resumen, la región entre el frente de choque y la magnetopausa, donde las partículas del viento solar son retardadas de velocidades supersónicas a subsónicas.
La magnetopausa sería la tercera región a 8,5 RT y en ella está el límite del campo magnético terrestre. Se encuentra dentro de la magnetovaina, y se forma cuando se equilibra la energía del viento solar y la del campo magnético terrestre. En otras palabras, la magnetopausa es la frontera entre las líneas de campo de plasma terrestre y las líneas de campo del viento solar.
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| Fuente: Wikipedia |
Cuando
las partículas del viento solar alcanzan nuestro planeta, la inmensa mayoría
son desviadas por el campo magnético y rodean la magnetosfera. Algunas
partículas que consiguen penetrar quedan atrapadas y giran en espiral alrededor
de las líneas de campo, y a viajar alternativamente desde un polo magnético al
otro. Al ser los rayos cósmicos o el viento solar el origen de estas
partículas, se explica que la mayoría sean protones con energías máximas de
unos pocos centenares de MeV.
Este movimiento da origen a dos zonas abundantes en partículas, los cinturones de radiación de Van Allen;
nombre de su descubridor. Cada una de estas zonas tiene la forma de un anillo
rodeando la Tierra. Existen dos grandes cinturones de Van Allen: el
interior se extiende desde unos 1.000 kilómetros por encima de la
superficie de la Tierra hasta más allá de los 5.000 kilómetros. El exterior se
extiende desde unos 15.000 km hasta unos 20.000 kilómetros. Para
contextualizarlos, podemos recordar que la Estación Espacial Internacional
(ISS) orbita a una altura de unos 400 kilómetros y los satélites
geoestacionarios se encuentran a 36.000 kilómetros de altitud.
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| Cinturones Van Allen. Proporciones. Fuente: Wikipedia. |
De vez en cuando, después de una erupción solar, electrones y protones
energéticos consiguen penetrar en la alta atmósfera al nivel de las regiones
polares. Ionizan entonces los átomos y las moléculas presentes y dan lugar a un
fenómeno luminoso llamado aurora boreal o austral, según el polo en cuestión.
Otro causante principal de estos fenómenos en la cola de la magnetosfera.
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| Fuente: Civitatis |
Además, presenta una
distorsión que permite la penetración de los protones del cinturón de radiación
a alturas inferiores sobre una región situada frente a las costas de Brasil
(35º S y 35º O). Esta región recibe el apropiado nombre de “Anomalía
del Atlántico Sur” (SAA, South Atlantic Anomaly) y afecta a todas las
misiones espaciales tripuladas cuya inclinación orbital sea superior a los 30º;
de hecho, la mayor parte de la radiación recibida por los tripulantes de la de
la estación espacial internacional (ISS) se debe a esta anomalía.
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| Fuente: NASA |
La plasmasfera es una región toroidal que rodea a la Tierra por
su ecuador y está compuesta por plasma, que es una mezcla de electrones e
iones. Sin embargo, el plasma de la plasmasfera puede detectarse por toda la
magnetosfera, ya que es expandido por fuerzas eléctricas y magnéticas.
Gallagher desarrolló un modelo general para describir la densidad del plasma
que rodea a la Tierra. En su publicación “Global Core Plasma Model“, a
través del Journal of Geophysical Research, utiliza la expresión
“Core Plasma” para referirse al plasma de energía-cero (desde 0 a 100
electronvoltios) que constituye la plasmasfera.
Las cúspides polares son los únicos sitios dónde el efecto de la
magnetosfera no es totalmente eficaz. En estas dos regiones, sobre los polos
magnéticos del planeta, el campo magnético es extremadamente débil. A través de
las cúspides, las partículas del viento solar pueden acceder a la capa superior
de la atmósfera de Tierra – la ionosfera - y así impactar ciertas actividades
humanas, como las redes de la telecomunicación. Así fue descubierto por las
cuatro naves de la misión Clúster de la ESA.
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| Debilidad magnética. Fuente: BBC |
La magnetocola se sitúa en la parte “trasera” de la magnetosfera. En ella encontramos los lóbulos que son dos grandes haces de líneas de campo casi paralelas que forman la cola. Estos dos haces, se extienden a 200-220 RT. A esas distancias, los lóbulos se encuentran parcialmente penetrados por plasma del viento solar, pero cerca de la Tierra están casi libres. Podemos comparar las densidades típicas de plasma:
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| Fuente: edu.aytolacoruna |
Viento solar cerca de la
Tierra
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6 iones/cm3
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Lado diurno de la magnetosfera
exterior
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1 ion/cm3
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"Lámina de
plasma" que separa
los lóbulos de la cola
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0.3 -- 0.5 iones/cm3
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Lóbulos de la cola
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0.01 ion/cm3
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Esta densidad tan baja de los lóbulos de la cola 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 fluyen fácilmente a lo largo de las líneas de campo de los lóbulos, hasta que son barridos por el viento solar. En ocasiones, algunos iones del viento solar se pueden oponer al flujo general del viento y encaminarse hacia la Tierra. No obstante, con este tráfico en un solo sentido, poco plasma permanece en los lóbulos.
Entre esos lóbulos prolongados y a lo lardo del ecuador magnético se halla un plano que contiene plasma denso y que recibe el nombre de lámina de plasma. Constituye una zona “neutra” donde el campo magnético es muy débil con un grosor típico de 2-6 radios terrestres. En el centro de esta región entran en contacto los dos hemisferios lobulares con orientaciones magnéticas opuestas. Quien los mantiene a raya es un área de mayor densidad que proporciona la presión suficiente para ello.
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. Sin embargo, si no hay otras partículas que reemplacen a aquellas que escapan del campo esta región se haría más pequeña. Como habíamos dicho antes sobre la interacción entre la magnetosfera y el viento solar y la metáfora de las cuentas y la cuerda, partículas ajenas a la lámina de plasma no podrían pasar a formar parte de ella. Para ello, 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.
