PLASMAS EN TODAS PARTES

Autora: SILVIA BRAVO

COMITÉ DE SELECCIÓN EDICIONES DEDICATORIA PRÓLOGO I. UN ACAPARADOR POCO CONOCIDO II. EL PLASMA VISTO DE CERCA III. PLASMAS EN LA ATMÓSFERA IV. MAGNETOSFERAS V. EL PLASMA SOLAR VI. LOS PLASMAS EN EL UNIVERSO EPÍLOGO BIBLIOGRAFÍA CONTRAPORTADA

DEDICATORIA

Para JUAN CARLOS Y ELISA

que mucho saben de movimientos colectivos

PRÓLOGO

La palabra plasma se usa desde el siglo pasado dentro de la medicina para designar el componente líquido incoloro de la sangre, de la leche o de los tejidos vivos. En 1923 fue utilizada por primera vez para nombrar el estado singular de un gas ionizado, y a pesar de los llamamientos de los médicos para que esta palabra se utilizara sólo en su sentido biológico, el término plasma enraizó firmemente en la ciencia y el lenguaje de los físicos y permaneció en forma oficial. Pero, aunque la palabra llegó a la física hace ya casi 70 años y su estudio formal se inició desde la primera década del siglo, la física de plasmas está muy poco difundida, aún en nuestros días e incluso entre los físicos, a pesar de que más de 99% de la materia del Universo se encuentra en estado de plasma. Esto se debe en parte a la dificultad del tema, pero también al hecho de que muchos de los avances en la física de los plasmas han sido considerados secretos militares o industriales.

La historia del desarrollo de la física de los plasmas nos muestra en ocasiones duras batallas contra el Establishment de la ciencia, serios problemas con los experimentos en el laboratorio, elementos teóricos que aún no ha sido posible desarrollar y gran resistencia, explícita o tácita, a

adoptar sus formulaciones en campos como la astrofísica, donde se trata casi enteramente con plasmas. La física de plasmas no se encuentra en los temarios de física en ningún nivel preparatorio y en el nivel universitario sólo en muy contados casos, pues su estudio formal requiere de considerables conocimientos físicos.

No obstante, esta joven rama de la ciencia, que se inició con experimentos en el laboratorio, ha crecido vigorosamente en las últimas décadas, impulsada en gran medida por sus aplicaciones en el campo de la fusión controlada y, en el contexto espacial, por la posibilidad de observación directa de los plasmas del espacio exterior. En nuestros días es cultivada con gran entusiasmo por un grupo de científicos que, aunque reducido, encuentra en los plasmas un maravilloso tema de estudio siempre lleno de sorpresas. Actualmente, la investigación de los plasmas representa un ingrediente importante para entender realmente el comportamiento de nuestro Universo y promete opciones muy interesantes a la tecnología del futuro. Por eso vale la pena hacer esfuerzos importantes por transmitir algo de este conocimiento a los estudiantes y al público en general. Este libro pretende colaborar en esa tarea y aspira, además, a transmitir al lector el entusiasmo que ha surgido entre los científicos modernos al iniciarse en el fascinante mundo de los plasmas.

I. UN ACAPARADOR POCO CONOCIDO

CUANDO uno vive en, y forma parte de una singularidad, es natural que al principio considere que su entorno es representativo de las características generales de todo el sistema y que lo que difiere mucho de nuestra naturaleza es muy escaso. Así, hasta hace sólo unas cuantas décadas imaginábamos que toda la materia del Universo era sólida, líquida o gaseosa, lo que llamamos los tres estados de la materia. Al descubrir el estado de plasma y empezar a estudiar su comportamiento tan singular, se decidió acuñar para éste el término cuarto estado de la materia, pues en conjunto corresponde a un estado de mayor energía que los tres anteriores. Sin embargo, por su temprana aparición en el Universo (ya que según las teorías cosmológicas el Universo nació en forma de plasma) y por su enorme abundancia (pues toda la materia del Universo sigue siendo aún plasma), debería ser el primero.

¿QUÉ ES UN PLASMA?

Sabemos que los átomos, que suelen agruparse en moléculas, son los bloques que constituyen las sustancias ordinarias. Están compuestos de un núcleo cargado con electricidad positiva y un número equivalente de electrones cargados con electricidad negativa. Así, los átomos en su forma completa son eléctricamente neutros. Cuando se extraen del átomo uno o más de sus electrones, lo que queda tiene un exceso de carga positiva y constituye lo que se conoce como un ion. En un caso extremo, un ion puede ser simplemente un puro núcleo atómico al que se le han desprendido

todos sus electrones circundantes. Una sustancia que contiene iones, a la vez que conserva los electrones, aunque ya libres del amarre atómico, es un plasma. Así pues, el plasma no es un material particular; sino cierto estado específico de la materia en el que, en conjunto, el material es eléctricamente neutro, pero que contiene iones y electrones libres capaces de moverse en forma independiente.

Se le ha llamado el cuarto estado de la materia porque, en general, equivale a un estado de mayor energía. Una sustancia suficientemente fría se presenta en estado sólido, es decir, tiene una forma específica e internamente se caracteriza por el hecho de que los átomos que la constituyen se encuentran firmemente unidos. Al calentar la sustancia la unión entre los átomos se hace más débil debido a la agitación térmica y la sustancia pasa a otro estado que conocemos como líquido, en el que ya no tiene una forma específica pero ocupa un volumen definido. Al seguir calentando la sustancia sus átomos pueden llegar a liberarse completamente de las ligas mutuas y entonces pasa a un estado de gas, en el que ya no tiene forma ni volumen fijos, sino que dependen de los del recipiente que la contiene. Si esta sustancia se calienta aún más se produce un nuevo cambio, ahora ya en el interior de los átomos, los cuales empiezan a desprenderse de sus electrones, esto es, se ionizan y se forma un plasma. Conforme el material se calienta más, sus átomos se mueven con mayor rapidez y al chocar unos con otros en gran agitación puede originarse el desprendimiento de algunos de sus electrones orbitales, quedando así los átomos ionizados y algunos electrones libres. Por encima de los 10 000 grados Kelvin (ºK), cualquier sustancia ya es un plasma. Los grados Kelvin corresponden a la escala absoluta de temperaturas, en la que no existen temperaturas negativas y el cero absoluto equivale a -273 grados centígrados.

Sin embargo, es importante destacar que el estado de plasma no implica necesariamente altas temperaturas; la ionización de un material puede producirse por diversos medios. Se pueden producir plasmas por descargas eléctricas; si a un gas ordinario se le aplica un campo eléctrico muy fuerte pueden desprenderse algunos de los electrones orbitales, quedando estos átomos ionizados y algunos de sus electrones libres. Estos electrones libres serán acelerados por el campo eléctrico y chocarán con otros átomos, desprendiendo algunos de sus electrones, y así el proceso continúa como una avalancha. Esto es lo que se llama una descarga eléctrica, y un gas ionizado por una descarga eléctrica es un típico caso de un plasma. Tales plasmas se producen en forma natural con los relámpagos o en forma artificial en las lámparas fluorescentes y los tubos de neón, por ejemplo.

Otra forma de obtener un plasma es por medio de la absorción de fotones. Los fotones, que son las partículas de la luz, también desprenden electrones de los átomos cuando chocan con ellos; a este proceso se le llama fotoionización. La mayor parte del plasma que llena el espacio en el Universo ha sido producido por fotoionización, por la luz ultravioleta de las estrellas.

Así pues, cualquier sustancia puede encontrarse en estado de plasma siempre que se den las condiciones para que toda ella o sólo una parte se encuentre ionizada. En la naturaleza existen plasmas que tienen temperaturas tan altas como 1 000 000 000 de grados Kelvin o tan bajas como 100 ºK.

La densidad de los plasmas naturales también varía enormemente; los hay tan tenues que contienen menos de un par electrón-ion por centímetro cúbico y tan densos que llegan a tener del orden de 1025 (un uno seguido de 25 ceros) pares electrón-ion por centímetro cúbico. La mayor parte del plasma en el Universo es hidrógeno, pues éste es, con mucho, el elemento más abundante. El núcleo del hidrógeno tiene una sola carga positiva, está constituido por un solo protón y por lo tanto tiene únicamente un electrón. En un plasma de hidrógeno totalmente ionizado se tienen, pues, protones y electrones libres en una especie de sopa que, aunque eléctricamente neutra, no llega a constituirse en átomos.

EL DOMINIO DEL PLASMA

Aunque casi toda la materia del Universo se encuentra en forma de plasma, este estado no nos es familiar pues en nuestro entorno cercano es raro y efímero. Estamos rodeados de sólidos, líquidos y gases y sólo aparecen plasmas cerca de nosotros cuando, por ejemplo, un relámpago cruza la atmósfera y ioniza momentáneamente el aire, o mientras está encendida una lámpara fluorescente. También la atmósfera se convierte en un plasma cuando ocurre una aurora, ese fenómeno luminoso que se observa en el cielo cerca de los polos y que constituye el espectáculo natural más bello que podamos imaginar. Así mismo, constituyen un plasma los átomos ionizados y sus electrones libres en la estructura cristalina de un metal sólido, siendo estos últimos capaces de moverse con mucha facilidad para transportar una corriente eléctrica.

Pero conforme nos alejamos de la superficie de nuestro planeta nos vamos adentrando cada vez más en el dominio del plasma. La parte alta de nuestra atmósfera, la ionosfera,es un plasma, y el material que puebla nuestro entorno magnético, nuestramagnetosfera, también es un plasma. El medio interplanetario está lleno de plasma, elviento solar; y prácticamente todo nuestro Sol es una esfera de plasma. Del mismo modo el plasma envuelve a todos los demás planetas, y todas las estrellas del Universo son cuerpos de plasma. Además de esto, el plasma llena también el medio interestelar y el espacio intergaláctico. Aristóteles tenía razón y la Naturaleza le tiene horror al vacío: ha llenado todo el espacio de plasma.

En la figura 1 se ve la gran diversidad de condiciones en que aparecen los plasmas y algunos de los lugares donde se encuentra cada uno de ellos. (Véase figura 1).

Figura 1. Rango de temperaturas y densidades que abarcan los plasmas. En comparación, los sólidos, los líquidos y los gases sólo existen en rangos pequeños de temperaturas y presiones.

Las escalas lineales para los plasmas varían enormemente, por un factor de 1032. En el laboratorio los plasmas se encuentran hasta en dimensiones del orden de 10-5m; los plasmas magnetosféricos, que constituyen la envoltura de plasma de nuestro planeta y de los demás planetas magnéticos del Sistema Solar, ocupan dimensiones del orden de 108m; la heliosfera, que es la envoltura de plasma de nuestra estrella y que cubre a todos los planetas del Sistema Solar tiene dimensiones del orden de 1015m; las nubes interestelares de plasma ocupan regiones de 1017m, y la distancia de Hubble, que corresponde al límite del Universo observable, es de 1026m. De todo esto hablaremos con más detalle en los capítulos posteriores.

¿CÓMO OBSERVAMOS AL PLASMA?

El plasma es tan generalizado en el espacio que casi podríamos equipararlo con el éter o quintaesencia de los griegos, que de acuerdo con sus ideas constituía todos los cuerpos por encima de la Tierra y llenaba los mismos cielos. Pero no obstante su gran abundancia, el plasma espacial tardó mucho tiempo en ser descubierto. El principal motivo de este retraso es que la radiación que emiten los plasmas espaciales tiene, en general, frecuencias muy diferentes a las de la luz. Nuestros ojos sólo son sensibles a emisiones electromagnéticas con frecuencias dentro de un rango muy reducido, y no podemos ver ni rayos ultravioleta, ni infrarrojos, ni X, ni gamma (γ), como tampoco podemos ver las ondas de radio (figura 2). Muchas de estas radiaciones ni siquiera logran atravesar nuestra atmósfera, así, cuando provienen del espacio exterior no es posible detectarlas en la Tierra.

Figura 2. Descripción esquemática de las diferentes longitudes de onda en el espectro electromagnético. Las ondas de mayor longitud (menor frecuencia) corresponden a las ondas de radio; las de menor lonigtud de onda (y más alta frecuencia) son los rayos gamma (γ).

En la figura 3 se muestra la altura sobre la superficie de la Tierra a la cual penetran los distintos tipos de radiaciones electromagnéticas y los vehículos que pueden explorar dichas alturas. Como se observa, sólo las radiaciones en la estrecha banda de la luz visible, algunas en la banda del infrarrojo y las que caen dentro de otra estrecha banda en la región de radioondas llegan a la superficie. Estas regiones se conocen como las ventanas óptica y de radio, respectivamente.

Figura 3. Diferentes alturas sobre la superficie de la Tierra, hasta las que logran penetrar las radiaciones de diferente longitud de onda provenientes del espacio exterior. Nótese que solamente alcanzan la superficie las radiaciones en el estrecho rango de la luz visible, un poco de la región del infrarrojo y una estrecha banda de ondas de radio. En el eje vertical derecho se indican los vehículos exploradores que alcanzan las diversas alturas para registrar todas las radiaciones.

Durante 3 000 años, la civilización humana construyó su conocimiento del Universo observando sólo una región muy estrecha del espectro electromagnético, la que penetra por la ventana óptica. Hasta hace unas cuantas décadas, la única ventana por la que habíamos observado el Universo era ésa y el hombre creía que todo lo que había "allá arriba" era lo que le revelaban sus propios ojos; ni siquiera imaginó que hubiera algo más que escapara a la estrechísima banda que somos capaces de registrar por medio de la vista. El plasma emite (y por lo tanto manifiesta su presencia) en todas las frecuencias del espectro, pero tanto en frecuencias muy altas (ultravioleta, rayos X, rayos γ), como en frecuencias muy bajas (ondas de radio), no pudo percibirse sino hasta que se inició la exploración del Universo por la ventana de radio y cuando se colocaron detectores de todas las radiaciones a grandes alturas, por encima de nuestra atmósfera. Nuevos ojos tuvieron que abrirse para ver el universo de plasma y hasta hace menos de dos décadas se pudieron ver los rayos UV, X y γ que emiten los plasmas muy calientes. Sin embargo, es importante mencionar que los plasmas también emiten luz visible; la corona solar; el halo blanco que rodea al disco del Sol y que se ha observado durante los eclipses totales desde tiempos muy remotos, es un plasma, aunque sólo hace poco tiempo que lo sabemos.

El plasma se estudia hoy en el laboratorio, donde se produce artificialmente, y mediante observatorios (terrestres y orbitales) que registran las emisiones de los plasmas naturales que nos rodean hasta el infinito. Pero también se le observa in situ, es decir; en la propia región donde se encuentra. Los vehículos espaciales que orbitan o sondean los diversos cuerpos y regiones de nuestro Sistema Solar están en contacto directo con diferentes tipos de plasmas y registran de primera mano sus características químicas, termodinámicas y dinámicas y sus condiciones magnéticas.

Junto con los plasmas (y en cierto modo como consecuencia de ellos) existen en todo el Universo campos magnéticos cuyas líneas permean al plasma, los cuales funcionan a veces como organizadores de la estructura del plasma y en otras ocasiones son arrastrados por el flujo de éste. En la naturaleza, plasmas y campos magnéticos son compañeros inseparables. Pero tampoco faltan las corrientes y los campos eléctricos pues forman, junto con los plasmas y los campos magnéticos, una misma familia indivisible.

UN UNIVERSO FILAMENTOSO Y PARCELADO

El espacio lleno de plasma se nos revela entonces muy distinto del espacio vacío en el que pensábamos hace apenas unas cuantas décadas. El espacio no sólo está ocupado por materia, sino que lo penetran muchas redes de corrientes eléctricas y filamentarias, alineadas por los campos magnéticos que permean el plasma. Se encuentran también en el espacio frentes de choque (discontinuidades) que viajan en el plasma a velocidades supersónicas o que permanecen fijos en el espacio, estableciendo fronteras entre plasmas diferentes. Otras fronteras son establecidas por enormes hojas de corrientes eléctricas y en ocasiones suelen producirse capas dobles, en las cuales se aceleran las partículas hasta energías mucho mayores de las que se alcanzan en nuestros más modernos aceleradores.

Así, hemos descubierto que el espacio no sólo no es homogéneo, sino que está parcelado, esto es, estructurado en diversas regiones dentro de las cuales las condiciones del plasma son distintas; regiones contiguas, pero rodeadas por fronteras electromagnéticas que parcelan el espacio y establecen una coexistencia pacífica entre plasmas de composición química, temperatura, densidad y magnetizaciones diferentes, y condiciones dinámicas particulares que pueden ser contiguas, pero no se mezclan.

De todo esto hablaremos más adelante en detalle, pero deseamos mencionarlo en esta introducción para destacar el hecho de que el descubrimiento de la presencia universal del plasma y la comprensión cada vez mayor de sus características y de su comportamiento han cambiado profundamente nuestra concepción de los cuerpos y el espacio que constituyen nuestro Universo. Para los antiguos griegos y hasta el Renacimiento, la geometría fue la ciencia que se ocupaba de los cielos; el Universo era un conjunto de cuerpos cuyas posiciones y movimientos habían de ser descritos. Esta labor de mapeo aún se continúa, con el uso de

telescopios más grandes y tecnologías cada vez más complejas. Pero desde Isaac Newton, hace unos trescientos años, el Universo empezó a verse también como un sistema físico regido por fuerzas gravitacionales que ya no sólo determinaban las posiciones y los movimientos, sino que daban cuenta de una evolución. Ahora surge un nuevo cambio. La imagen que nos han revelado las observaciones y registros espaciales de las últimas décadas, la del Universo lleno de plasma, en muchas partes mucho más sensible a las fuerzas electromagnéticas que a las gravitacionales, impone otro punto de vista: la geometría ya hizo su trabajo, la gravitación también ya hizo lo suyo, toca ahora a la física del plasma completar la descripción de nuestro Universo.

II. EL PLASMA VISTO DE CERCA

HEMOS visto ya a grandes rasgos que un plasma es cualquier sustancia con un grado de ionización suficiente como para que sea sensible a la presencia de fuerzas eléctricas y magnéticas. Hemos mencionado también su gran abundancia en el Universo y también hemos hablado un poco de lo que implica el que la materia del Universo esté casi toda en forma de plasma. Más adelante veremos el papel fundamental que desempeñan los plasmas en nuestro Sistema Solar; en las teorías cosmológicas y en las tecnologías del futuro, que pretenden lograr la fusión controlada, los generadores de haces de láser y otros ambiciosos proyectos. Ahora, confiando en que el lector ya está convencido de lo importante que es entender el comportamiento del plasma, vamos a describir en términos generales este comportamiento. Pero antes, un poco de información histórica.

EL DESCUBRIMIENTO DEL ESTADO DE PLASMA

El concepto moderno del plasma es de origen reciente y se remonta apenas al inicio de la década de los cincuenta. Sin embargo, desde hace más de tres siglos los científicos, sin saberlo, han experimentado con plasmas. Ya en 1667 unos miembros de la Academia de Ciencias de Florencia descubrieron que la llama de un mechero (que ahora sabemos que es un plasma) tenía la propiedad de inducir la electricidad. En 1698 un científico inglés que estudiaba la electrificación del ámbar frotándolo con asiduidad provocó la primera chispa de que se tiene noticia, una pequeña descarga eléctrica en el aire. Semejante descarga sólo es posible cuando se crea una cantidad suficiente de cargas eléctricas, iones y electrones libres en el aire como para que éste se convierta en un gas conductor de la electricidad: un plasma. Casi cincuenta años después se produjeron descargas eléctricas más intensas con ayuda de la botella de Leyden; a comienzos del siglo XIX se descubrió la descarga de arco y desde la década de 1830 el científico inglés Michael Faraday ya experimentaba sistemáticamente con descargas. Pero no fue sino hasta 1879 que se reconoció al estado de plasma como un estado particular de la materia, distinto de los demás. El físico inglés William Crookes, al experimentar con descargas eléctricas en gases, se dio cuenta de que el gas en donde se establecía la descarga se comportaba

sustancialmente diferente que un gas regular y sugirió la existencia de un nuevo estado al cual llamó el cuarto estado de la materia.

En 1923, el químico estadunidense Irving Langmuir empezó a investigar concienzudamente las descargas eléctricas en los gases, cuando ya se sabía que éstas ionizaban a los átomos del gas; en 1929 usó por primera vez el término plasma en el informe de un trabajo que realizaba con otro científico estadunidense, Levy Tonks, para describir la nube rojiza de electrones que veía oscilar en el interior del gas durante la descarga. Esta nube de electrones brillaba y se movía como una sustancia gelatinosa que recordó a Langmuir el plasma de la sangre. Fue Langmuir también el primero en notar la separación de plasmas de diferentes densidades, temperaturas o intensidades magnéticas en regiones semejantes a las células, separadas por corrientes eléctricas.

En 1936, el físico soviético Lev Landau, uno de los más grandes científicos del siglo XXdesarrolló la teoría estadística que describe el plasma y en 1942, el extraordinario científico sueco Hannes Alfvén (ganador del premio Nobel de física en 1970) desarrolló las ecuaciones que describen el movimiento de un fluido eléctrico en presencia de campos magnéticos. Tiempo después, el mismo Landau describió matemáticamente la interacción entre las partículas y las ondas en un plasma, la cual es muy importante para el entendimiento de los plasmas calientes tanto en las estrellas como en el laboratorio. Se considera que la física de plasmas moderna nació con estos trabajos. Sin embargo, no fue sino hasta 1952 cuando otros dos físicos estadounidenses, David Bohm y David Pines, consideraron por primera vez los movimientos colectivos de los electrones en los metales, que la aplicabilidad general del concepto del plasma se apreció totalmente.

Durante los últimos 40 años la física de plasmas ha recibido un enorme impulso desde muchos frentes y, sin embargo, todavía hay en ella muchos problemas sin resolver. Como los plasmas reaccionan fuertemente a las fuerzas electromagnéticas, su comportamiento presenta una complejidad que excede por mucho a la del comportamiento exhibido por la materia en los estados sólido, líquido o gaseoso; así, el estudio de los plasmas constituye una de las áreas de mayor dificultad en la física de hoy.

MOVIMIENTOS COLECTIVOS

Una de las principales características de la materia en estado de plasma es su capacidad de responder colectivamente a impulsos internos y externos. Este comportamiento fue descrito por primera vez por John Willian Strutt Rayleigh, a quien en 1906 se le concedió el título de lord. Los movimientos colectivos del plasma son consecuencia del gran alcance de las fuerzas electrostáticas que sienten entre sí las partículas cargadas que lo componen. A la fuerza entre dos partículas cargadas se le conoce como fuerza de Coulomb, porque fue el físico francés Charles Augustin Coulomb quien en 1785 midió por primera vez la fuerza entre cargas eléctricas a diferentes distancias. Según la relación encontrada por Coulomb:

Fe = q1q2 / r2,

lo que indica que la fuerza Fe depende de la magnitud de las cargas (q1 y q2) de las partículas que interactúan y del cuadrado de la distancia (r) que las separa. Esta fuerza se incrementa al aumentar la carga de cualquiera de las partículas y disminuye al aumentar la distancia entre ellas. Sin embargo, aunque la fuerza disminuye con la distancia, para que se reduzca a cero, es necesario que la distancia entre las cargas sea infinita. De esta manera, una carga eléctrica sentirá la presencia de otra a distancias muy grandes.

De la experimentación con cuerpos cargados eléctricamente se sabe que las cargas del mismo signo (positivas con positivas o negativas con negativas) se repelen, mientras que las de signos diferentes se atraen (figura 4) La fuerza entre cargas eléctricas es muy semejante a la fuerza gravitacional entre dos cuerpos masivos, pero en este último caso la fuerza entre dos masas siempre es de atracción, mientras que entre cargas la fuerza puede ser de atracción o de repulsión, dependiendo del signo de la carga.

Figura 4. Fuerza de atracción (a) y de repulsión (b) entre cuerpos cargados eléctricamente. Las cargas iguales se repelen; las cargas opuestas se atraen.

Por otro lado, las fuerzas eléctricas entre partículas son mucho mayores que sus fuerzas gravitacionales. Por ejemplo, entre un protón y un electrón a una distancia cualquiera, la fuerza de atracción eléctrica es 1039 veces mayor que la fuerza de atracción gravitacional. El número 1039 es un 1 seguido de 39 ceros, ¡un número muy grande en realidad! De esta manera, las fuerzas dominantes en el interior del plasma son las eléctricas, las cuales, como ya dijimos, son de muy largo alcance. En el interior de un gas compuesto por átomos o moléculas neutras, las interacciones entre sus componentes sólo se darán a distancias comparables a las dimensiones geométricas de los mismos. Pero en el interior de un plasma las partículas interactúan a distancias mucho mayores y de esta manera, aun los plasmas de muy baja densidad funcionan de manera cohesiva. Cada ion y cada electrón en el interior de un plasma puede sentir la influencia de muchas partículas a su alrededor, de manera que el comportamiento del plasma estará determinado por interacciones colectivas y no solamente por la interacción entre dos partículas individuales.

CUASINEUTRALIDAD DEL PLASMA

Puesto que en el plasma existe muy poca restricción al movimiento de las cargas, tiende a mantener un estado de neutralidad eléctrica aun en regiones muy pequeñas. Cualquier acumulación de carga de un solo signo en cierta región del plasma producirá una fuerza atractiva para las cargas opuestas lo suficientemente grande como para recuperar el equilibrio de la carga eléctrica casi instantáneamente. De esta manera, si el plasma no es forzado por campos eléctricos o magnéticos muy intensos a mantener acumulaciones locales de carga, permanecerá en un estado de cuasineutralidad, esto es, un estado en el que la concentración de cargas positivas será prácticamente igual a la concentración de cargas negativas, aun en pequeñas regiones del espacio.

Los movimientos colectivos y la cuasineutralidad son fundamentales para el estado de plasma, al grado que suele definirse al plasma como un sistema cuasineutro constituido por un gran número de partículas cargadas que exhiben movimientos colectivos.

LA DISTANCIA DE DEBYE

Aunque el alcance de la fuerza eléctrica entre dos cargas en el espacio vacío es infinito, en el interior del plasma éste se reduce debido a la presencia de las demás cargas de signo contrario que rodean cualquier carga. Imaginemos un ion positivo en un plasma debido a la fuerza de Coulomb, toda una nube de electrones negativos será atraída hacia ese ion. Estos electrones formarán alrededor del ion una coraza de carga contraria que impedirá que la carga de este ion sea sentida por cargas más lejanas. Lo mismo ocurrirá con los electrones y de esta manera se genera un efecto de apantallamiento, que limita el alcance real de la atracción o repulsión de cada carga hacia sus vecinas. Esta distancia, que podríamos definir como el radio de la esfera real de influencia de cada carga dentro del plasma se conoce como la distancia de Debye o la longitud de Debye. Debe su nombre al físico holandés Peter Debye, quien fue el primero en reconocer este efecto para aplicar el movimiento de los iones en la solución de un electrolito. Esta distancia está dada por:

D= [ ( kt ) / ( 4πne2 )] 1/2

donde k es una constante (k=1.38 x 10-23 Joules/Kº), llamada la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta del plasma en grados Kelvin), n es el número de cargas (positivas o negativas) por metro cúbico y e (= 1.6 x 10-19 Coulombs) es la carga del electrón. Esto puede ponerse también así:

D = 69 x (T/n) ½ m.

De esta manera, la distancia de Debye crece al aumentar la temperatura (pues en los gases más calientes las partículas se mueven más rápidamente

y entonces el apantallamiento es menos efectivo) y disminuye al aumentar la densidad de las cargas (pues cuando hay una gran densidad de cargas el apantallamiento es mayor). Es importante hacer notar que es precisamente la temperatura (el movimiento agitado de los elementos del plasma) la que impide que las cargas se recombinen para formar átomos o moléculas neutras. Los plasmas fríos sólo pueden mantenerse a muy baja densidad, como los interestelares e intergalácticos, ya que en ese caso tampoco es muy probable que haya recombinaciones. Aunque no se ha demostrado que esta relación pueda aplicarse en el interior de un gas ionizado, la distancia de Debye es un buen indicador de la distancia a la cual domina la influencia de cada partícula.

Como cada partícula tiene su propia esfera de Debye, es de esperar que estas esferas se traslapen y de esta manera el plasma va a responder colectivamente. Como ya mencionamos, la distancia de Debye aumenta al disminuir la densidad; sin embargo, si la densidad de carga en un gas ionizado es tan baja que no hay suficientes cargas en las dimensiones del plasma como para garantizar un comportamiento colectivo, este gas ionizado no será un plasma. Es fácil ver que en este caso tampoco podrá obtenerse la condición de cuasineutralidad. De hecho, para que un plasma exista es necesario que las dimensiones del espacio ocupado por el plasma sean mucho mayores que la longitud de Debye. Por ejemplo, en el medio interplanetario, la densidad de electrones (y de iones) es de 10 por centímetro cúbico. En las dimensiones espaciales este medio se comporta como un plasma y presenta toda la gama de interesantes procesos que caracterizan a los plasmas. Pero si en una botella de laboratorio colocamos un gas formado por iones y electrones con una densidad de 10 por cm³, tendríamos un vacío prácticamente perfecto del cual no podríamos obtener ninguna respuesta. Ésta representa una de las dificultades para experimentar con plasmas pues no son escalables, y en general los prototipos de laboratorio no se comportarán como los enormes sistemas naturales.

OSCILACIONES DEL PLASMA

Uno de los movimientos colectivos más rápidos e importantes dentro de un plasma es la oscilación de los electrones respecto a los iones. Estas oscilaciones se producen cuando se viola la cuasineutralidad del plasma y las fuerzas electrostáticas entran en acción como una fuerza restauradora. Como los iones son muchísimo más masivos que los electrones (los iones más ligeros, los protones son casi dos mil veces más masivos que los electrones) casi no se van a mover y la oscilación más notable es la de los electrones. La frecuencia de esta oscilación está dada por:

v = (ne2 /π me ) ½ ,

donde me es la masa del electrón (me = 9.1 x 10-31kg). Entonces,

v = 8.97 x 106 n ½ Hertz

y, como puede verse, solamente depende de la densidad de electrones.

Estas oscilaciones son tan características que se les conoce como oscilaciones del plasma y a su frecuencia se le llama frecuencia del plasma. Sin embargo, cuando el plasma está atravesado por un campo magnético, que es el caso general en los plasmas espaciales, pueden ocurrir muchos otros tipos de oscilaciones.

INESTABILIDADES

El comportamiento colectivo de los plasmas no siempre es estable. De hecho, el plasma es un sistema muy inestable. Si dentro del comportamiento colectivo ocurre una alteración local, es posible que ésta sea sólo una fluctuación que desaparezca rápidamente; en este caso se dice que el sistema está en equilibrio estable. Pero en los plasmas es muy común que la desorganización cunda de manera que el comportamiento desordenado del plasma se extienda, crezca y destruya, finalmente, cualquier estructura organizada. En el plasma existen muchas inestabilidades ya clasificadas y una buena parte de la investigación en la física de los plasmas consiste en entender mejor estas inestabilidades y encontrar la manera de controlarlas con la ayuda de campos magnéticos.

PROPIEDADES ELECTROMAGNÉTICAS DEL PLASMA

Como ya mencionamos, un gas es normalmente un buen aislante eléctrico, la corriente no puede pasar fácilmente a través de él. Sin embargo, si el gas tiene suficientes cargas libres como para ser un plasma éste se vuelve un buen conductor eléctrico, pues en esta situación los electrones libres transportan la corriente con facilidad. Así, el plasma responde fácilmente a la imposición de campos eléctricos externos y también a la de campos magnéticos.

Una partícula cargada en el interior de un campo eléctrico experimenta una fuerza que la acelera en la dirección del campo si la partícula tiene carga positiva, o en dirección contraria si la partícula tiene carga negativa. Ante la presencia de un campo magnético, el movimiento de una partícula cargada es más complicado, pero en general, si la partícula tiene poca energía describirá una hélice alrededor de las líneas de campo y puede sufrir derivas que la lleven a través de las líneas. Las partículas positivas girarán en un sentido, mientras que las negativas girarán en sentido inverso (figura 5). Algunas derivas dependen de la carga, por lo que llevarán a unas partículas hacia una dirección y a las de carga contraria a la dirección opuesta; pero otras no dependen de la carga y mueven ambos tipos de partículas en la misma dirección.

Figura 5. Las partículas cargadas giran a lo largo de las líneas del campo magnético. Las partículas positivas giran en un sentido y las negativas en el sentido opuesto. Como los iones tienen mayor masa que los electrones, su radio de giro será mayor.

Pero así como el plasma responde a la presencia de campos electromagnéticos impuestos externamente, en su interior él mismo también genera este tipo de campos. Una partícula cargada genera un campo eléctrico a su alrededor (el campo de fuerza de Coulomb que ya mencionamos) y una partícula cargada en movimiento (que equivale a una corriente eléctrica) genera también un campo magnético. Puesto que el plasma consiste en partículas cargadas que se mueven, en su interior se encuentran campos electromagnéticos. En este sentido, el estado de plasma es único ya que interactúa con los campos electromagnéticos impuestos desde el exterior y con los suyos propios. Entonces, la respuesta de un plasma a la imposición de campos electromagnéticos externos generará a su vez otros campos electromagnéticos que, si el plasma es muy denso o se mueve con gran velocidad, puede causar grandes deformaciones al campo originalmente impuesto.

Aunque el comportamiento colectivo de las partículas cargadas en los campos electromagnéticos estaba ya implícito en los estudios hechos por Faraday y por Ampére en el siglo XIX, no fue sino hasta la década de 1930, al descubrirse fenómenos solares y geofísicos en los que aparece esta interacción, que se empezaron a considerar muchos de los problemas básicos de la interacción entre gases ionizados y campos electromagnéticos. En la experimentación con gases en el laboratorio con propósitos tecnológicos se usan campos magnéticos intensos para "ordenar" al plasma, controlar sus inestabilidades, confiarlo a ciertas regiones, empujarlo en una dirección específica, etc., utilizando precisamente esta fuerte interacción.

CAMPOS CONGELADOS

Una propiedad muy interesante de los plasmas, cuando se comportan como fluidos con gran conductividad eléctrica, es que no admiten cambios del flujo magnético en su interior. Esto trae como consecuencia que puedan ser confinados por campos magnéticos intensos; pero cuando la densidad y la velocidad del plasma son muy grandes, será el movimiento del plasma el que domine a la estructura del campo. En esta situación, si el plasma fluye

muy rápidamente desde cierta región donde hay un campo magnético que es incapaz de contenerlo (como es el caso del viento solar, que veremos en el capítulo siguiente), entonces arrastrará consigo al plasma para impedir que cambie el flujo magnético en su interior. Entonces se dice que el plasma transporta al campo magnético congelado en su interior. Ésta es una situación que se da con bastante frecuencia en los plasmas espaciales.

CÉLULAS Y FILAMENTOS DE PLASMA

Por la misma propiedad de que no aceptan cambios de flujo magnético en su interior; dos plasmas magnetizados pueden coexistir pacíficamente sin mezclarse pues ninguno penetra al otro arrastrando su campo magnético. De esta manera se forman estructurascelulares (parceladas) en las que existirá un equilibrio de presiones en la frontera, pero cada una de las células puede contener plasma y campos magnéticos con características muy diferentes a las de las demás. En los plasmas espaciales hay muy bellos e impresionantes ejemplos de esta situación.

Pero además de la morfología celular; los plasmas frecuentemente muestran una estructura filamentaria. Esta estructura se deriva también del hecho de que los plasmas, debido a sus electrones libres, son muy buenos conductores de electricidad. Dondequiera que las partículas cargadas fluyan en un medio neutralizante, como electrones libres en un fondo de iones, el flujo de partículas cargadas (corriente) produce un anillo de campo magnético alrededor de la corriente. Este anillo presiona al plasma a formar hatos multifilamentarios.

FOTONES EN EL PLASMA

En las interacciones entre las partículas cargadas y los campos electromagnéticos en un plasma caliente (como en las atmósferas de las estrellas) se producen fotones. Éstos son paquetes de energía electromagnética, como la luz, los rayos X y los rayos γ, los cuales son absorbidos y emitidos dentro del plasma. Algunos de ellos también logran escapar; con lo que enfrían al plasma. Este proceso, que es inevitable, es una de las dificultades para mantener plasmas a altas temperaturas en el laboratorio. La población de fotones es tan inherente a los plasmas calientes que en estos casos suele definirse al plasma mismo como una mezcla de moléculas o átomos neutros, iones, electrones y fotones.

TRATAMIENTO TEÓRICO DE LOS PLASMAS

La forma en que un plasma va a comportarse se puede deducir; en principio, de las interacciones de todas las partículas. Evidentemente este procedimiento, que proporcionaría lo que se conoce como la teoría cinética del estado de plasma, es muy difícil de llevar a cabo, dada la gran cantidad de partículas que componen al plasma. Sin embargo, ya en 1905 el físico holandés Hendrik Antoon Lorentz aplicó al estudio del comportamiento de

los electrones en los metales los métodos estadísticos que el físico austriaco Ludwig Eduard Boltzmann desarrolló para los átomos en movimiento aleatorio que componen un gas. En este tipo de tratamientos, el comportamiento macroscópico (a gran escala) del plasma se describe estadísticamente calculando las probabilidades de que el plasma se encuentre en diversos estados en el nivel microscópico, determinados por las posiciones y las velocidades de todas las partículas. Las características macroscópicas (mensurables) del plasma, como su presión, temperatura, densidad y los campos electromagnéticos en su seno se derivan estadísticamente a partir de esta descripción microscópica. Varios físicos y matemáticos en las décadas de 1930 y 1940 desarrollaron ya propiamente la teoría cinética del plasma hasta un alto grado de complejidad y en las décadas subsiguientes este enfoque se ha desarrollado cada vez más.

Pero por fortuna, en muchas ocasiones el comportamiento del plasma puede considerarse como el de un fluido y entonces se le aplican las leyes de la hidrodinámica; así las características macroscópicas antes mencionadas (presión, temperatura y densidad) se tratan de manera directa, sin ningún contexto microscópico estadístico de partículas en movimiento. Pero como los plasmas son sensibles a los campos eléctricos y magnéticos deben obedecer también las leyes del electromagnetismo. Esta combinación de hidrodinámica y electromagnetismo se llama magnetohidrodinámica y estudia el comportamiento de fluidos conductores en presencia de campos electromagnéticos. Así, en muchos casos el comportamiento de un plasma se estudia utilizando las ecuaciones de la magnetohidrodinámica o MHD. El conjunto de ecuaciones que representan a la MHDes también bastante complicado, pero más fácil de manejar que el enfoque cinético.

UN MISTERIO NO RESUELTO

Es de esperarse que un plasma de muy alta densidad se comporte como un fluido, y así es en efecto. Pero lo sorprendente con los plasmas es que aun los de muy baja densidad se comportan de esta manera. Los plasmas espaciales están en general tan diluidos que la distancia que en promedio recorre una partícula antes de interactuar con otra (sucamino libre medio) es del orden de las dimensiones del sistema. A este tipo de plasmas se les denomina plasmas sin colisiones. El plasma de la corona solar; que se extiende por todo el Sistema Solar, es ya un plasma sin colisiones desde una distancia muy cercana al Sol y conforme se expande se diluye cada vez más.

Sin embargo, estos plasmas sin colisiones no son un conjunto de partículas desconectadas, sino que se comportan también como fluidos. En el caso de la corona, la explicación radica en que el plasma coronal (que llena todo el medio interplanetario) está penetrado por un campo magnético cuyas líneas sirven en cierto modo de "enlace" entre las partículas del plasma. Esto mismo se aplica a todos los plasmas espaciales (interestelares e intergalácticos), que si bien son sumamente enrarecidos, a todos ellos los penetran campos magnéticos. La presencia del campo magnético es tan

universal como la presencia del plasma y contribuye al comportamiento fluido de los enrarecidos plasmas espaciales.

Aunque no existe una derivación teórica formal que justifique esta explicación, es suficientemente plausible e incluso se puede cuantificar en qué condiciones ya no funcionaría, cuando el plasma dejara de ser un fluido. Sin embargo, lo sorprendente es que aun en las condiciones en que no se espera que el campo magnético siga funcionando como amalgama para el plasma, éste presenta un comportamiento fluido. Se piensa que debe haber un tipo de interacción entre las ondas que se propagan en el plasma y las partículas que lo componen (una interacción onda-partícula) que "informa" a unas partículas lo que les está pasando a las otras, de manera que puedan responder en forma conjunta sin embargo, esta hipótesis no se ha comprobado mediante la observación ni se ha desarrollado en forma teórica y la explicación del obstinado comportamiento fluido de los plasmas incluso a densidades bajísimas, es uno de los problemas que todavía están por resolverse en la física del plasma.

III. PLASMAS EN LA ATMÓSFERA

EN LOS últimos 30 años la astronomía de emisiones electromagnéticas de altas energías (ultravioleta, X y gamma), la radioastronomía y el sondeo de regiones espaciales in situcon medidores de partículas y de campos nos han mostrado una imagen del Sistema Solar muy diferente de la que se tenía anteriormente, haciéndonos ver que estamos rodeados de plasmas por todas partes. Hemos descubierto que esta presencia del plasma es universal y el universo de plasma, en muchos aspectos muy distinto del que se había descrito anteriormente, está apenas empezando a definirse. Uno de los propósitos principales de este libro es mostrar la gran abundancia de los plasmas naturales y describir las características generales de esos plasmas que llenan el espacio o que componen o rodean los cuerpos que lo pueblan. En los siguientes capítulos realizaremos un viaje hacia el exterior para ir descubriendo los plasmas que nos encontramos al alejarnos de la superficie de la Tierra. Empezaremos por los entornos plasmáticos de nuestro planeta y los demás planetas, describiremos después el plasma solar y el interplanetario y finalmente mencionaremos las estructuras de plasma que se encuentran fuera de nuestro sistema planetario y los plasmas que llenan los espacios interestelar e intergaláctico.

Las observaciones directas de los plasmas cercanos a la Tierra son un excelente laboratorio para conocer el comportamiento de los plasmas más distantes, pues los plasmas del Sistema solar no sólo cubren un amplio rango de densidades, temperaturas y magnetizaciones, sino que presentan también una rica variedad de fenómenos desde sencillos hasta muy complejos. Por otra parte, estas observaciones constituyen también la única forma de apreciar ciertos fenómenos en los plasmas espaciales que no son reproducibles en un laboratorio terrestre.

LAS AURORAS

La más cercana manifestación visible de los plasmas en la naturaleza es la aurora, los hermosos despliegues de luces danzarinas que se presentan en gran variedad de formas y que adornan la alta atmósfera en las regiones cercanas a los polos (figura 6). Estas luces, que generalmente son de color amarillo verdoso, se ven casi todas las noches claras y su intensidad es suficiente como para poder leer. Por lo general, a través de los despliegues aurorales se transparentan las estrellas, pero cuando son muy brillantes ocultan la presencia de la Vía Láctea en el cielo. Aunque durante el día no se distinguen, el resplandor del cielo permanece en realidad todo el tiempo.

Figura 6. Fotografía de una aurora boreal. Aunque aquí no puede apreciarse, todas las luces de una aurora están en continuo movimiento.

Este bello fenómeno natural ha cautivado la imaginación del hombre desde tiempo inmemorial y ha originado muchos mitos para explicar su origen en términos comprensibles al entorno cultural. La aparición de las auroras desempeña un papel muy importante en las mitologías esquimal, escandinava y de otras naciones de alta latitud en el norte del planeta. Una bella leyenda escandinava asocia la aurora con la agitación que se produce en los cielos cuando las zorras mueven sus colas. En el sur, los aborígenes australianos creen que este plasma danzante representa la danza de los dioses, y los nativos del sur de la India creen que la aurora es un mensaje del dios Buda.

La aurora del hemisferio norte fue nombrada aurora boreal (luces del norte) por el científico francés Pierre Gassendi en 1621, quien fue el primero en hacer observaciones aurorales sistemáticas. La aurora del sur fue nombrada aurora austral (luces del sur) por el capitán James Cook en 1773, cuando la observó por primera vez en el Océano Índico. Ya los filósofos griegos consideraban a la aurora del norte como un fenómeno natural, y la asociaban con el reflejo de la luz en los hielos polares. Pero la investigación moderna de la aurora empezó en 1716, cuando Edmond Halley sugirió una cercana correlación entre la aurora y el campo magnético de la Tierra, al darse cuenta de que los rayos aurorales trazaban las líneas del campo magnético sobre la superficie. A mediados del siglo XVII,De Mairan, mostrando una notable intuición respecto al fenómeno auroral, afirmó que

las auroras eran causadas por un gas de origen solar que penetra a la atmósfera. De acuerdo con esta idea, dijo que las auroras deberían también ocurrir en el hemisferio sur; como efectivamente observó posteriormente Cook. En 1784 el científico inglés Henry Cavendish descubrió la composición química de la atmósfera y calculó aproximadamente la altura del fenómeno auroral, la cual estimó entre cien y varios cientos de kilómetros, y durante el siglo XIX se empezaron a hacer mapas de las zonas de máxima ocurrencia auroral.

Sin embargo, los fundamentos de los estudios aurorales como ahora se realizan no se establecieron sino hasta finales del siglo pasado, a partir del descubrimiento del electrón por J. J. Thompson y de la manera como afectan los campos eléctricos y magnéticos a las partículas cargadas. En 1896, Birkeland sugirió que las auroras resultan de que electrones de origen solar son guiados hacia los polos de la Tierra por las líneas del campo geomagnético. Llevó a cabo experimentos de laboratorio con una pequeña esfera magnetizada que tenía una superficie fluorescente, a la que llamó terrella (tierrita), sobre la que hacía incidir electrones para observar su comportamiento. Con estos experimentos se observó por primera vez en laboratorio la aparición de las regiones aurorales sobre laterrella. Intrigado por estos experimentos, Carl Stormer inició en 1904 estudios matemáticos del movimiento de partículas cargadas en el campo magnético de un dipolo (como el de un imán de barra). Sin la ayuda de computadoras llevó a cabo cálculos muy largos y tediosos, pero logró demostrar que era correcta la interpretación de Birkeland.

Sin embargo, esta opinión de Stormer y de Birkeland de que el Sol arrojaba chorros de electrones fue muy criticada, y en 1919 Lindeman sugirió que lo que provenía del Sol deberían ser chorros neutros de gas solar ionizado (plasma). Los estudios de la interacción de estos chorros de plasma con el campo magnético de la Tierra se iniciaron en la década de 1930, pero fue sólo a partir del desarrollo de la física de plasmas y la magnetohidrodinámica, con los trabajos fundamentales de Hannes Alfvén alrededor de 1940, que este familiar espectáculo ha empezado realmente a comprenderse.

Las auroras ocurren típicamente en dos regiones anulares, casi circulares, de pequeña extensión latitudinal, alrededor de cada polo geomagnético. Estos polos geomagnéticos, que podríamos considerar como las intersecciones del eje del campo magnético dipolar terrestre con la superficie de la Tierra (figura 7), son cercanos a los polos geográficos pero no coinciden con ellos. El polo norte geomagnético (que en realidad es el polo sur de un imán) se localiza cerca del extremo noroeste de Groenlandia y el polo sur (que es un polo norte magnético) cerca de la estación soviética Vostok en la Antártida.

Figura 7. El campo magnético de la tierra es semejante al de un imán, pero no está alineado con el eje de rotación. Los polos geomagnéticos no coinciden con los polos geográficos.

Las regiones donde se producen las auroras se conocen como óvalos aurorales y están fijas en el espacio respecto al Sol, de manera que la Tierra gira bajo ellas una vez al día. Cada óvalo tiene un radio aproximado de 2 000 kilómetros (aunque éste varía según la intensidad de la aurora) y son excéntricos respecto a los polos, esto es, su centro está corrido unos cuantos grados hacia lo que se llama el lado noche, es decir; el lado opuesto al Sol (figura 8). Así, la porción noche se encuentra alrededor de los 67º de latitud magnética, mientras que la porción de día está alrededor de los 76º de latitud. Como puede verse, contrariamente a la creencia común, las auroras no ocurren en los polos, sino que el óvalo deja libre una región de latitudes más altas, lo que se conoce como elcasquete polar.

Figura 8. Fotografías de la evolución de una aurora en el hemisferio norte, tomadas desde satélites.

Ahora ya se sabe que las columnas de luz de las auroras son causadas por la precipitación de electrones y iones (principalmente protones) de alta velocidad sobre la atmósfera superior; las cuales penetran a lo largo de las líneas del campo magnético de la Tierra y excitan y ionizan a los átomos y disocian a las moléculas del aire. Las desexcitaciones y recombinaciones de los átomos y moléculas son responsables de las luces emitidas. Como los electrones son mucho más pequeños que los iones logran penetrar más la atmósfera y dominan en número a los iones por un factor de 50, generalmente. Aunque el espectro auroral es bastante complejo y consiste de un gran número de líneas y bandas espectrales, unas cuantas líneas son especialmente conspicuas. La más dominante, tanto que se le ha llamado línea auroral, está en la parte amarilla del espectro, muy cerca de la longitud de onda a la que es más sensible el ojo humano. Ésta es, por mucho, la línea más intensa en el espectro visible, pero hay muchas líneas de emisión aún más intensa en el infrarrojo. Auroras muy energéticas, que se salen del óvalo auroral normal y alcanzan latitudes más bajas, tienen con frecuencia un color rojo debido al oxígeno, y auroras que alcanzan alturas bajas, debido también a una mayor energía de las partículas que penetran, a menudo presentan un borde inferior rojo causado por las emisiones de las moléculas de nitrógeno.

De los experimentos de laboratorio es bien sabido que los plasmas que transportan corrientes tienden a romperse en filamentos. Una hermosa muestra a gran escala de esta estructura filamentaria se ve en las auroras. Las partículas cargadas fluyen hacia abajo en la atmósfera en hojas a lo largo del campo magnético. Estas hojas de corriente eléctrica se filamentan para formar cortinas de luz que ondulan rápidamente, constituyendo el despliegue auroral. Aun a simple vista, las auroras muestran claramente esta característica tan persistente en el universo de plasma: su tendencia a formar estructuras filamentarias.

El tamaño y la forma de los óvalos aurorales dependen del estado de perturbación del campo geomagnético, el cual a su vez está condicionado por la emisión del plasma solar; como veremos más adelante. Ya desde 1741, Hiorter y Celsius hicieron notar que la aurora se intensifica y puede

observarse a más bajas latitudes cuando hay perturbaciones magnéticas intensas o tormentas geomagnéticas (llamadas así por A. von Humboldt en 1806). En altas latitudes el resplandor auroral es un fenómeno permanente, pero asociado con tormentas geomagnéticas las auroras se intensifican, se activan y llegan a verse más cerca de los polos y a latitudes medias y bajas. En México se han observado auroras en forma de extensos velos en momentos de muy alta actividad geomagnética, como sucedió en 1957 y más recientemente en 1989.

Durante las auroras, hay ocasiones en que el plasma emite ondas de radio con frecuencias entre 30 y 3 000 megahertz; en estos casos se habla de una radio aurora.También se han registrado emisiones esporádicas de señales de radio de muy alta frecuencia a las que se ha dado el pintoresco nombre de "silbidos aurorales" y que parecen deberse más bien a los electrones que se precipitan. El mecanismo físico que produce esta radiación no está aún muy bien entendido. Hannes Alfvén explica su origen como resultado de la existencia de capas dobles de plasma. Aunque el plasma está en un estado de cuasineutralidad, en algunas ocasiones, cuando está inmerso en él un campo magnético (que es el caso de todos los plasmas naturales), es posible que se formen dos capas contiguas con acumulación de iones y electrones, respectivamente. Estas capas se encuentran dentro del plasma y están separadas entre sí por una distancia del orden de la distancia de Debye. En esa región se generan, pues, campos eléctricos muy intensos capaces de acelerar partículas cargadas. Durante las auroras hay corrientes eléctricas que bajan hacia la atmósfera a lo largo de las líneas del campo geomagnético y se supone que las ondas de radio son generadas como resultado de inestabilidades del plasma con sus capas dobles y sus corrientes eléctricas. Aunque la presencia de estas capas dobles no se ha podido corroborar en nuestra atmósfera, sí se ha observado en experimentos de laboratorio para una gran variedad de plasmas en un amplio rango de densidades y temperaturas. Pero a pesar de que Irving Langmuir habló acerca de la existencia de estas capas dobles desde su primera publicación sobre plasmas, hasta ahora estas estructuras no están bien entendidas.

Para la física de plasmas el estudio de la aurora ha resultado ser no sólo fascinante sino enormemente enriquecedor; ya que su entendimiento requiere de la solución de problemas físicos fundamentales que seguramente tienen también lugar en todo nuestro universo de plasma. A pesar de que la aurora es el fenómeno de plasma natural que se ha observado desde hace más tiempo, su complejidad sigue desafiando las explicaciones, pues mientras más se estudia se encuentran en ella nuevos efectos de plasma. Hoy en día, para estudiar la aurora se combinan mediciones locales realizadas por satélites encima de la atmósfera, con datos de percepción remota (principalmente en el ultravioleta) de toda la zona auroral y con observaciones desde tierra. Toda esta información se utiliza para alimentar modelos teóricos que intentan describir el fenómeno auroral. Sin embargo, aunque se sabe que las partículas que se precipitan para formar la aurora provienen de fuera, del plasma con que el Sol llena el medio interplanetario, la forma como estas partículas penetran y son aceleradas hasta energías a las cuales se precipitan sigue siendo un problema abierto. Esta aceleración de partículas hasta muy altas energías es

una característica muy notable y generalizada en el Universo, tanto en los plasmas como en los astrofísicos.

Por otra parte, se ha sugerido recientemente que la aurora (y por lo tanto el estado de plasma) puede incluso haber sido responsable del surgimiento de la vida en la Tierra. Algunos científicos suponen que el proceso auroral en la atmósfera superior de la Tierra primitiva pudo haber proporcionado el ambiente reactivo necesario para algunas síntesis químicas determinantes. De esta manera, el cuarto estado de la materia, que ahora se ha convertido en el eje central de la nueva astrofísica, tal vez también pase a ser parte importante de los estudios de la vida.

LA IONOSFERA.

Yendo hacia fuera de nuestro planeta, el primer establecimiento permanente de plasma con que nos encontramos es la ionosfera. Todos los cuerpos del sistema solar que tienen atmósfera (esto es, una envoltura gaseosa) tienen una ionosfera, la cual no es mas que la parte exterior de la atmósfera, ionizada por la luz solar de alta frecuencia. Los fotones solares ( principalmente en la región utravioleta) arrancan electrones de los átomos que componen las moléculas de los gases de la atmósfera y la convierten en un plasma donde iones y electrones están separados. También a los cometas, que al acercarse al Sol sufren una vaporización que los rodea de una atmósfera, se les forma una ionosfera que, como veremos después, desempeñó un papel muy importante en el descubrimiento del plasma que sale del Sol.

La existencia de la ionosfera terrestre fue postulada mucho antes de que pudiera sondearse directamente. Desde 1839, el físico y matemático alemán Carl Friedrich Gauss afirmó que debería haber una capa eléctricamente conductora en la atmósfera superior; lo cual explicaría las variaciones diurnas que sufre el campo magnético de la Tierra. En 1860, Kelvin hizo la misma sugerencia, y en 1882 el físico escocés Balfour Stewart elaboró un artículo ya más detallado acerca de esta capa y el cual se considera como el punto de partida de la física ionosférica.

Posteriormente un nuevo efecto, descubierto a raíz de los avances en las comunicaciones por radio, vino a reforzar esta convicción y condujo finalmente a la demostración de la existencia de esta capa ionizada de la alta atmósfera. En 1901, el científico y técnico italiano Guglielmo Marconi, quien hizo posible las comunicaciones por radio, estableció un sistema de comunicación de Inglaterra a Estados Unidos a través del Océano Atlántico. Las ondas de radio, como ya mencionamos, son ondas electromagnéticas como la luz, sólo que de longitud de onda mucho más larga y, al igual que la luz, viajan en línea recta. como la Tierra es una esfera, una onda que viajara en línea recta no podría ser recibida muy lejos en la superficie (figura 9(a)) y ciertamente no podría dar la vuelta para llegar al otro lado del Océano Atlántico, sin embargo lo hacían, y las comunicaciones trasatlánticas estaban ocurriendo. Un año después, en 1902, el ingeniero físico inglés Oliver Heaviside y el ingeniero eléctrico de origen hindú Arthur Edwin

Kennely, sugirieron independientemente la presencia de una capa en la alta atmósfera que reflejaba las ondas de radio y las llevaba a puntos muy lejanos sobre la Tierra (figura 9(b)). Esta capa debería ser eléctricamente conductora, como lo requería la explicación de las variaciones del campo magnético de la Tierra.

Figura 9. Las ondas de radio viajan en línea recta. Si no existiera la ionosfera (a), sería imposible comunicarse con puntos lejanos debido a la curvatura de la tierra. Pero como la ionosfera es una capa reflectora de estas ondas (b), es posible comunicarse con lugares que estén por debajo del horizonte.

Poco tiempo después del descubrimiento del electrón por J. J. Thomson, Taylor propuso, en 1903, que esta capa debería estar compuesta por iones y electrones libres y que la ionización de los átomos era producida por la radiación ultravioleta del Sol. El escepticismo respecto a esta capa eléctricamente conductora fue finalmente derrotado con la demostración experimental de la existencia de una región de plasma en la atmósfera superior; a la que se llamó ionosfera. Esta demostración fue obtenida en forma concluyente en 1925 por el geofísico estadunidense Merle Anthony Tuve y el físico de origen ruso Gregory Breit, quienes empezaron a observar repetidamente la reflexión de ondas de radio en la atmósfera. En forma independiente, el científico inglés Edward Victor Appleton estudió extensamente la ionosfera y determinó la altura de la capa reflectora de las ondas de radio, llamada ahora la capa de Appleton. Junto con Hartree, demostró y modeló matemáticamente el efecto del campo geomagnético sobre la reflexión de las ondas de radio en la ionosfera al principio de la década de 1930 y en 1947 recibió el premio Nobel de física por estos estudios. Los trabajos de Appleton hicieron posible que se obtuvieran radiocomunicaciones de más largo alcance y mayor confiabilidad y contribuyeron posteriormente al desarrollo del radar.

La razón por la cual las ondas de radio son reflejadas por la ionosfera tiene que ver con las oscilaciones propias del plasma. Como ya mencionamos en el capítulo anterior; un plasma tiene una frecuencia natural de oscilación que depende exclusivamente de su densidad de electrones; a una mayor densidad electrónica le corresponde una frecuencia más alta. Cuando una onda electromagnética (que es un arreglo de campo eléctrico y magnético oscilante) atraviesa un plasma, las cargas libres en él, principalmente los electrones, tienden a responder a esta oscilación. Pero las atracciones

electrostáticas hacia los iones, que son las fuerzas que generan la oscilación del plasma, tienden a impedir este acoplamiento entre los electrones y la onda electromagnética. Si la frecuencia de la onda electromagnética es mayor que la del plasma, esta onda atravesará el plasma sin mayor problema, pero si la frecuencia de la onda electromagnética es menor o igual que la del plasma, parte de la onda será reflejada y parte será transmitida. Las ondas con frecuencias menores que la del plasma sólo podrán penetrar una capa delgada de éste, ya que son rápidamente amortiguadas.

La densidad de iones (y de electrones) en la ionosfera no es homogénea, pues depende fundamentalmente de la altura. A gran altura, la densidad de iones es baja debido a la baja densidad misma del gas atmosférico. A bajas alturas también hay pocos iones porque la mayor parte de la radiación solar ionizante ya ha sido absorbida. Así pues, en un nivel de altura intermedia existe un máximo bien definido de la densidad de iones (figura 10). Distintas frecuencias de onda de radio serán reflejadas a distintas alturas y a la altura de la densidad máxima se reflejarán las ondas de máxima frecuencia que pueden ser reflejadas. Ondas con frecuencias mayores que ésa ya no serán reflejadas por la ionosfera, por lo que la máxima densidad de electrones define la frecuencia más baja que puede atravesar la ionosfera. Esta penetración y esta reflexión se dan, por supuesto, en ambas direcciones. Las ondas de radio de frecuencias muy altas (como por ejemplo lasmicroondas) generadas en la superficie de la Tierra ya no las refleja la ionosfera y se tienen que usar reflectores artificiales a bordo de satélites para comunicar a todo el planeta, pero, del mismo modo, estas ondas pueden penetrar la ionosfera cuando provienen del espacio exterior. De igual manera, las ondas de radio de frecuencias más bajas, que rebotan en la ionosfera cuando provienen de la superficie de la Tierra, rebotan también cuando vienen de fuera y no pueden ser registradas en el suelo. La presencia de la ionosfera nos permite utilizar cierto rango de frecuencias de radio para comunicarnos sin necesidad de reflectores artificiales, pero esto mismo limita nuestra observación del rango de frecuencias provenientes de cuerpos extraterrestres.

Figura 10. Perfil de densidades de electrones en la ionosfera con la altura cerca del máximo de actividad solar. La curva sólida representa el perfil nocturno y la curva en trazos el perfil diurno. Se muestran las alturas aproximadas de las capas D, E, F1 y F2.

En épocas de baja actividad solar las densidades de electrones disminuyen y las curvas que representan los perfiles diurno y nocturno se corren hacia la izquierda.

Cabe mencionar que no todas las frecuencias mayores al umbral ionosférico pueden penetrar la atmósfera. Existen otros efectos que limitan la penetración de ondas electromagnéticas muy cortas. Por ejemplo, el infrarrojo es absorbido por las moléculas de agua, el ultravioleta se captura para ionizar la atmósfera alta (para generar la ionosfera) y también se absorben de esta manera los rayos X. Los rayos gamma dan lugar a reacciones con los núcleos de la atmósfera y también muy difícilmente pueden alcanzar la superficie. De esta manera, la atmósfera forma una coraza protectora que sólo deja pasar radiaciones electromagnéticas en dos rangos de frecuencias llamadosventanas atmosféricas, una de las cuales es la de la luz visible y la otra la ventana de radio (figura 3)

La frontera inferior de la ionosfera se encuentra a una altura aproximada de 55 km, donde la concentración de electrones es ya suficiente para afectar la propagación de las ondas de radio. La densidad de electrones aumenta irregularmente hasta un máximo entre los 200 y 600 km de altura y a partir de ahí disminuye nuevamente, aunque en forma más lenta (figura 10). Según la clasificación de las capas atmosféricas en la meteorología, la ionosfera empieza poco antes del tope de la estratosfera, su densidad electrónica aumenta por la mesosfera y el pico de electrones se halla en la termosfera. La ionosfera continúa más arriba, hasta traslaparse con la exosfera y finalmente fundirse con la plasmosfera o magnetosfera, que veremos posteriormente. El plasma que rodea a la Tierra ya no tiene límite y simplemente se distinguen diferentes regiones.

En la ionosfera misma se distinguen varias regiones o capas, aunque la separación entre ellas no es muy marcada. Las características de estas capas cambian, como es de esperarse, de día a noche, pues la fotoionización del Sol cesa en la noche y los procesos de recombinación de iones y electrones cambian la estructura de la ionosfera. Durante el día, en orden de altitud creciente y de concentración creciente de iones, la ionosfera se divide en las regiones D, E, F1 y F2 (figura 10). Las tres primeras son realmente estratos de la pendiente creciente en densidad de electrones que alcanza su pico en la región F2, excepto algunas veces en la noche, cuando la capa E desarrolla un pico independiente. Por la noche, la división entre las capas F1 y F2 desaparece. Por encima del pico de la región F2 la densidad de electrones ya decrece monótonamente. Durante el día, la región E se ioniza por los rayos X suaves del Sol hasta una concentración de 105 electrones (y iones) por centímetro cúbico. Las regiones superiores se ionizan con radiación ultravioleta y el máximo en la región F2 alcanza valores del orden

de 5 x 105 electrones por centímetro cúbico. Este valor; sin embargo, depende de la latitud sobre la Tierra y del nivel de actividad del Sol, que aumenta y disminuye cíclicamente. El valor dado anteriormente corresponde a latitudes geográficas entre 30 y 40 grados y a periodos de mínima actividad solar. En tiempos de máximo solar; la densidad de electrones en el pico de la capa F2 puede alcanzar el orden de 2 x 106 electrones por centímetro cúbico.

La densidad electrónica de la ionosfera y la altura del pico se sondean constantemente enviando señales de radio de distintas frecuencias y midiendo el tiempo que tardan en regresar. Estos sondeos han revelado gran cantidad de detalles interesantes en el plasma ionosférico, complicados patrones de densidad y de corrientes eléctricas, una compleja fotoquímica y otros efectos magnetohidrodinámicos. En particular, en la ionosfera se propagan las ondas magnetohidrodinámicas, que viajan en los plasmas atravesados por un campo magnético, como son todos los plasmas espaciales. En estas ondas se acoplan oscilaciones de las propiedades del plasma con oscilaciones del campo magnético en él. Algunas son longitudinales (la oscilación se da en la dirección en que se propaga la onda), pero otras son transversales (la oscilación es perpendicular a la velocidad de propagación). Estas ondas desempeñan un papel muy importante en los plasmas espaciales y volveremos a encontrarlas en otros lugares. En la ionosfera, estas ondas MHDson impulsadas por los movimientos de la atmósfera baja y por otros movimientos magnetosféricos que llegan desde arriba.

El estado de la ionosfera, como ya mencionamos, varía de día a noche como consecuencia del cambio en la fotoionización y en el calentamiento de la atmósfera. Durante el día, cuando la atmósfera está más caliente y sus moléculas están más agitadas, las colisiones entre los electrones y los átomos neutros producen una fuerte absorción de las ondas electromagnéticas de radio. De noche, al bajar la temperatura, el número de colisiones disminuye y se pueden transmitir con mayor alcance y mayor claridad; incluso algunas ondas que no son reflejadas durante el día llegan a ser reflejadas durante la noche. También el efecto de recombinación que

ocurre durante la noche ocasiona que suban las capas reflectoras de las distintas señales de radio (figura 10), y así, al ser reflejadas a la Tierra, llegan más lejos y se escuchan estaciones que de día es difícil captar.

Pero éstas no son las únicas variaciones que sufre la ionosfera. También la afectan los fenómenos que ocurren en la atmósfera baja y, en forma mucho más drástica, los fenómenos esporádicos que ocurren en el Sol. En ocasiones tienen lugar en el Sol enormes explosiones llamadas ráfagas solares, que lanzan hacia el espacio gran cantidad de energía electromagnética en distintas longitudes de ondas que incluyen la luz. Las radiaciones de longitudes de onda más cortas (UV y rayos X) aumentan enormemente la ionización en la ionosfera y por lo tanto alteran todos sus patrones de corrientes eléctricas. Las alteraciones en la densidad de los iones repercuten en las radiocomunicaciones y las alteraciones en las corrientes se reflejan en el campo magnético de la Tierra.

Durante estas explosiones solares y por varios días después, es común que también incidan sobre la Tierra partículas de muy alta energía. Estas partículas giran alrededor de las líneas del campo magnético de la Tierra y se precipitan sobre la ionosfera, principalmente en regiones de alta latitud, alrededor de los polos; penetran hasta la parte más baja de la ionosfera, la capa D, y ionizan los constituyentes de la atmósfera al chocar con ellos, con lo cual aumenta considerablemente la densidad de electrones. Este exceso de electrones produce, al igual que en el caso anterior, una absorción severa e incluso un bloqueo total de las radioondas. Su efecto se siente principalmente durante el día, cuando la Tierra está frente al Sol y recibe estas partículas, pero cuando es muy intenso permanece también por la noche. Como el efecto de absorción y bloqueo de ondas de radio se da en los casquetes polares, a este fenómeno se le conoce comoabsorción en los casquetes polares y afecta principalmente a las comunicaciones a alta latitud.

El comportamiento de la ionosfera también se ve alterado por perturbaciones que el Sol genera en el plasma del medio interplanetario y que viajan hasta la Tierra en unos cuantos días. Estas perturbaciones alteran la estructura del campo magnético y los patrones de corrientes en todo el plasma que rodea a la Tierra y pueden incluso permitir la inyección del plasma solar hacia la Tierra. Cuando son muy intensas dan lugar a las tormentas geomagnéticas (las cuales ya mencionamos cuando se habló de las auroras), que pueden causar costosos daños a instalaciones eléctricas, además de los consabidos problemas en las comunicaciones. De esto hablaremos en detalle más adelante.

IV. MAGNETOSFERAS

CONFORME nos alejamos de la Tierra y abandonamos lo que se conoce propiamente como la atmósfera, entramos de lleno en el dominio del plasma. Nuestro planeta y todos los demás planetas del Sistema Solar que

poseen un intenso campo magnético de origen interno están rodeados por envolturas magnéticas estructuradas donde el plasma se organiza de diversas maneras. Estas envolturas se llaman magnetosferas y todas ellas ya han sido exploradas con mayor o menor detalle con los satélites y sondas espaciales. En octubre de 1957, cuando se colocó por primera vez en órbita un satélite artificial, elSputnik, se inició la física de plasmas espacial moderna. Satélites como éste son capaces de dar la vuelta a la Tierra en aproximadamente una hora y media y muchos de ellos transportan equipo para medir la temperatura, la presión, la intensidad de campo magnético y muchas otras características de los plasmas en el espacio. En las décadas posteriores, vehículos como éstos han sido sacados de la atracción gravitacional de la Tierra y enviados a explorar el espacio y los entornos de otros cuerpos del Sistema Solar. De los nueve planetas de la corte del Sol, ocho han sido ya visitados por sondas espaciales y se ha encontrado que seis de ellos tienen magnetosferas y que dos, Venus y Marte, no tienen. Las naves espaciales nos han dado a conocer una impresionante variedad de mangnetosferas planetarias que no se ajustan a un solo modelo. En este capítulo las describiremos brevemente.

LA MAGNETOSFERA DE LA TIERRA

Debido a su cercanía , la magnetosfera de la tierra es la que más se ha explorado y, por lo tanto, la que conocemos y entendemos mejor. A finales de la década de 1960 los datos de los satélites que orbitan la Tierra ya habían proporcionado una imagen bastante completa, aunque burda, de nuestra envoltura magnética y de plasma hasta sus límites cercanos. La imagen a la que condujeron las medidas detalladas de estos satélites difería enormemente de lo que se había supuesto unos años antes. En particular; la presencia de flujos de partículas cargadas o corrientes eléctricas desde una región de plasma hacia otra, así como la de campos eléctricos que aceleran partículas hasta muy altas energías, revelaron una capa envolvente de plasma de la Tierra muy dinámica y frecuentemente turbulenta. El medio que rodea a la Tierra en el espacio, como lo conocemos ahora, es notablemente diferente de lo que se esperaba antes de las observaciones in situ. Esto se debe a que los procesos que ahí tienen lugar son procesos de física de plasmas que en su mayoría eran totalmente desconocidos.

Aunque la idea básica de una magnetosfera fue establecida hace mucho por Birkeland, en 1896, y descrita después por Hoyle en 1956, no fue sino hasta que se utilizaron vehículos espaciales para explorarla que se aceptó ampliamente su existencia por la comunidad científica. La magnetosfera de la Tierra (y todas las demás magnetosferas) existe porque el Sol emite continuamente plasma a gran velocidad y en todas direcciones. Este plasma, que tiene una conductividad eléctrica muy alta, pues está totalmente ionizado y es muy diluido, no acepta la penetración de un campo magnético externo (propiedad bien conocida de los buenos conductores eléctricos). En estas circunstancias, el campo magnético de la Tierra es barrido del medio interplanetario y comprimido hacia nuestro planeta por el lado que da al Sol, el lado día. En el lado opuesto, el lado noche, las líneas de campo se estiran alejándose del Sol, formando una cola como la de los cometas (figura 11).

Figura 11. La magnetosfera de la Tierra está formada por el flujo del plasma solar que encierra al campo magnético terrestre en una cápsula. En ella se encuentran diferentes regiones de plasma y estructuras de campo magnético.

Este efecto de deformación es el resultado de la interacción del frente de flujo del plasma solar con el campo magnético que encuentra a su paso, el cual genera corrientes en el plasma que inducen la aparición de nuevos campos magnéticos. Estos campos magnéticos inducidos tienden a cancelar el campo en el interior del plasma y a incrementarlo afuera. El plasma podrá seguir fluyendo, barriendo y comprimiendo el campo magnético a su paso hasta que la presión que el flujo ejerce sobre el campo iguale la presión que el campo comprimido ejerce sobre el flujo. En ese punto (que de hecho serán muchos puntos que formarán una superficie) el plasma esquivará y rodeará al "obstáculo" magnético, confiándolo a una cavidad en la que el plasma solar ya no penetra. Esta superficie constituye lo que se llama la magnetopausa, porque más allá de ella ya no se encuentra el campo magnético del planeta.

Cerca de la Tierra, el campo geomagnético es muy similar al de una barra de imán, que es lo que se conoce como el campo de un dipolo (figura 7). Antes del año geofísico internacional (IGY) en 1957-1958, se creía que el campo dipolar de la Tierra continuaría extendiéndose hacia afuera en el espacio sin cambiar su forma y que su intensidad disminuiría al alejarse. Pero a partir de las intensas observaciones con cohetes y satélites durante el IGY se descubrió que conforme se asciende, el campo magnético gradualmente empieza a parecerse menos al de un dipolo y que del lado día el campo geomagnético de repente empieza a ser más intenso y se acaba bruscamente a una distancia de unos 10 radios terrestres (1 RT = 6 400 km). Esa cavidad en el espacio en donde se encuentra confinado nuestro campo magnético es lo que se conoce como nuestra magnetosfera y en poco

tiempo se obtuvo una imagen global de ella. Así pues, la magnetosfera existe porque la Tierra no está rodeada por un vacío, como era la imagen simplista previa a la era espacial, sino que se encuentra inmersa en un plasma que fluye muy rápidamente.

Un detalle interesante es que el plasma solar que fluye es tan rápido que su velocidad supera la velocidad de las ondas que se transmiten en él. Cuando este plasma encuentra un obstáculo en su camino, como el campo magnético de la Tierra, se generan ondas que tratan de propagarse en todas direcciones. Pero como el flujo viaja más rápidamente que las ondas, las que quisieran regresarse al Sol no pueden hacerlo pues son transportadas hacia adelante por el fluido mismo. En estas condiciones se genera una onda de choque a cierta distancia de la magnetopausa, que en el caso de la Tierra es aproximadamente de 4RT en la dirección hacia el Sol (figura 11). El plasma solar que fluye antes de la onda de choque no está perturbado en absoluto por la presencia del obstáculo, pero el flujo de plasma posterior a esta onda ya es muy diferente: se vuelve turbulento y más desorganizado (más caliente) y el campo magnético que ha transportado desde el Sol se vuelve muy irregular. El plasma solar ya alterado por el cruce con la onda de choque forma una capa alrededor de la magnetosfera que se conoce como magnetofunda, la cual también se ilustra en la figura 11.

El interior de la magnetosfera también se encuentra parcelado; tiene una estructura celular en la que se distinguen grandes regiones diferenciadas donde el plasma se estructura de manera particular y que responden como un solo ente en relación con los demás. Así tenemos a la plasmosfera y en el interior de ella a los cinturones de Van Alleny una hoja de plasma u hoja neutra que separa en dos partes a la cola magnetosférica; en una de estas regiones las líneas de campo magnético se dirigen hacia la Tierra, mientras que en la otra se alejan de ella. Según las observaciones con vehículos espaciales, la cola magnetosférica de la Tierra se extiende a más de 1 000 y posiblemente 2 000 RT. Ahora ya sabemos que esta estructura celular es una característica ubicua en todos los plasmas cósmicos en sistemas estelares y galácticos y en las envolturas de los planetas y de los cometas.

La magnetosfera se considera como la región del espacio que rodea a la Tierra en donde los procesos físicos que ocurren están dominados por el campo geomagnético, esto es, donde el material atmosférico ya está en estado de plasma y su densidad es tan baja que las colisiones entre las partículas no desempeñan ningún papel importante. Esto ocurre aproximadamente entre 1 000 y 2 000 kilómetros de altura, donde se considera que termina la ionosfera. Aunque la frontera inferior de la magnetosfera no es muy precisa, su significado físico es bastante claro.

Toda la magnetosfera se encuentra llena de plasma, principalmente de origen ionosférico, aunque en ocasiones se cuela en ciertas regiones de ella el plasma de origen solar. En el interior de la magnetosfera el campo magnético está bastante ordenado y se pueden distinguir líneas de campo magnético que tienen sus dos pies en la Tierra, a las que se les llama líneas

cerradas y otras que sólo tienen un pie y que se denominan líneas abiertas.Formalmente todas las líneas de campo magnético deben ser (y son) cerradas, pero en el caso de las líneas abiertas la conexión es a través de líneas de campo del medio interplanetario. Sobre la superficie de la Tierra las líneas abiertas se encuentran sólo a altas latitudes, pero se pueden encontrar líneas abiertas a cualquier latitud con sólo irse suficientemente lejos.

En el interior de la magnetosfera se destaca la plasmosfera que es la porción del plasma magnetosférico que rota con la Tierra. Esta región se extiende hasta una distancia entre 3 y 6 RT de altura, dependiendo del estado de perturbación de la magnetosfera, el cual a su vez depende del estado de perturbación del Sol. Fuera de esta región, la densidad de electrones y iones decrece muy rápidamente y sus patrones de circulación ya no tienen que ver con la rotación terrestre. Aunque su nombre lo sugiere, su forma no es esférica y no sólo está limitada en distancia sino también en latitud, extendiéndose sólo hasta las latitudes de las últimas líneas que son cerradas a todas horas, esto es, tanto del lado día como del lado noche, donde el campo magnético es bastante semejante a un campo dipolar. A latitudes magnéticas más altas, cerca de los polos, las líneas de campo se encuentran estiradas hacia la cola y por ellas fluye el plasma que escapa de la ionosfera y que sigue estas líneas hasta las profundidades de la cola magnetosférica, detrás de la Tierra. A este movimiento de salida del plasma de altas latitudes se le llama viento polar(figura 11).

LOS CINTURONES DE VAN ALLEN

La plasmosfera tampoco es una región uniforme. En su interior existen dos zonas en forma de dona en donde se encuentra una población bastante densa de partículas (protones y electrones) atrapada en las líneas cerradas del campo geomagnético. A estas dos zonas se les denomina cinturones de radiación o cinturones de Van Allen, en honor a su descubridor. En 1958, al analizar la información enviada por los detectores de partículas a bordo del satélite artificial Explorer 1, el físico estadunidense James Alfred van Allen descubrió estas zonas de intensa radiación corpuscular (partículas) que no se pueden observar a simple vista. Un corte meridional de estos cinturones se muestra en la figura 11, donde se observa que debido a la estructura del campo magnético son más anchos en el ecuador y no cubren los polos.

A diferencia de las partículas de plasma que componen la plasmosfera y que tienen energías muy bajas, los protones y electrones atrapados en los cinturones son de muy alta energía, miles y hasta millones de veces más alta que la del plasma. Estas partículas se encuentran girando muy rápidamente alrededor de las líneas del campo, al mismo tiempo que suben y bajan a lo largo de ellas, rebotando en un punto en el norte y otro en el sur llamados puntos espejo. Además dan vuelta alrededor de la Tierra, los protones hacia el oeste y los electrones hacia el este. En la figura 12 se muestra esquemáticamente los tres tipos de movimientos de las partículas atrapadas en los cinturones de Van Allen. El tiempo que les toma a estas partículas dar un giro alrededor de la línea de campo es del orden de

millonésimas de segundo, mientras que el tiempo que utilizan para ir y venir entre dos puntos espejo es de un segundo. Dar una vuelta completa a la Tierra les lleva algunas decenas de minutos.

Figura 12. Diagrama esquemático que muestra los tres movimientos de las partículas en los cinturones de Van Allen: un movimiento de giro alrededor de la línea de campo; un movimiento de vaivén entre dos puntos de reflexión (puntos espejo) sobre la línea y un movimiento que deriva alrededor de la tierra.

La existencia de puntos espejo surge de la naturaleza dipolar del campo magnético, cuya intensidad aumenta hacia los polos. Cuando las partículas cargadas se van moviendo alrededor de una línea hacia regiones de campos más intensos van a encontrar un punto de alcance máximo, más allá del cual ya no pueden penetrar. Como esto ocurre si se dirigen hacia el polo norte o al polo sur, las partículas quedan atrapadas entre dos puntos de reflexión. Estos dos puntos no son los mismos para todas las partículas, pues dependen de la manera como éstas fueron inyectadas en esas regiones. En el laboratorio se ha intentado confinar plasmas en botellas magnéticas. Sin embargo, estos confinamientos "artificiales" de plasmas hasta ahora no han resultado eficientes.

El cinturón interior está centrado en una línea que cruza el ecuador a 0.5 RT de altura y está poblado principalmente por protones. El cinturón exterior, que llega hasta laplasmopausa, o sea el límite de la plasmosfera (3 RT de altura), está poblado sobre todo por electrones. Parece haber dos fuentes principales de inyección de partículas en estas regiones. Una de ellas son los neutrones que provienen de la atmósfera y que, como son partículas inestables, en unos minutos se transforman en un par electrón-protón. Estos últimos, al ser partículas cargadas, quedarán atrapados por el campo magnético terrestre ahí donde las líneas son cerradas. Los neutrones provenientes de la atmósfera se producen en forma natural por la interacción de los rayos cósmicos (que son partículas de muy alta energía que llegan a la Tierra desde el espacio exterior) con los núcleos de los átomos de la atmósfera. Algunos de estos neutrones se precipitan hacia la Tierra, pero otros son enviados de regreso hacia el espacio. En forma artificial se produjeron grandes cantidades de neutrones y de partículas

cargadas entre 1950 y 1970 como resultado de las explosiones nucleares a gran altura que realizaron Estados Unidos y la Unión Soviética. Estas partículas pasaron a formar parte de la población de los cinturones de Van Allen, algunas transitoriamente, otras permanecen ahí.

La segunda fuente importante de partículas de los cinturones de Van Allen parece ser la cola magnetosférica, donde aparentemente son aceleradas partículas de baja energía, posiblemente del plasma solar, y luego son lanzadas hacia la Tierra. Parte de estas partículas quedan atrapadas en los cinturones de radiación y otras caen sobre la ionosfera en las regiones aurorales y producen las auroras.

Los movimientos de los protones y electrones alrededor de la Tierra constituyen una corriente eléctrica, la corriente anular. Por convención, las corrientes fluyen en la dirección en que se mueven las partículas positivas y por lo tanto la corriente anular fluye hacia el oeste. Esta corriente produce un pequeño campo magnético que se puede medir sobre la superficie de la Tierra y que apunta hacia el sur; de manera que disminuye un poco el campo magnético en la superficie. Llevando un registro de los pequeños cambios repentinos en el campo global es posible detectar aumentos o disminuciones del número de partículas en los cinturones de Van Allen.

Para finalizar simplemente mencionaremos que las regiones de plasmas que constituyen la magnetosfera sufren repetidas alteraciones provocadas por la actividad del Sol, el cual altera periodos de calma y de actividad. La última se manifiesta en forma de explosiones de luz (ráfagas), estallidos de protuberancias, lanzamiento de plasma más rápido, etc., y repercute en el plasma que fluye en el medio interplanetario y que posteriormente interactúa con la magnetosfera. Las alteraciones globales más intensas de la magnetosfera son las tormentas geomagnéticas y un buen número de manifestaciones diversas, incluyendo las auroras, evidencian la fuerte interacción en los distintos entornos de plasma que rodean a la Tierra.

OTRAS MAGNETOSFERAS EN EL SISTEMA SOLAR

Todos los planetas del Sistema Solar que tengan un campo intrínseco suficientemente intenso como para no ser completamente barrido por el flujo solar; tendrán una magnetosfera. Esto es, cada uno de estos campos se concentrará alrededor de su planeta de origen formando una estructura semejante a la del entorno magnético de la Tierra. Como el tamaño de estas magnetosferas depende de la intensidad del campo interno del planeta, Mercurio posee una magnetosfera pequeña (su campo interno es sólo un centésimo del de la Tierra) y Júpiter tiene la magnetosfera más grande de todo el Sistema Solar (su campo interno es diez veces el de la Tierra). Venus no tiene campo magnético y por lo tanto no tiene magnetosfera y el campo de Marte es tan débil que sólo ocasionalmente (ante el impacto de un plasma solar lento) forma una pequeña magnetosfera alrededor del planeta. Los planetas gigantes tienen magnetosferas grandes y muy interesantes y en el caso de Plutón, aunque no se ha explorado directamente, no se cree que la tenga. Cada una de estas magnetosferas merecería una amplia

descripción, pero aquí nos limitaremos únicamente a dar unos cuantos detalles.

Mercurio. La magnetosfera de Mercurio se extiende del lado día a una distancia de apenas un radio del planeta, el cual es un poco mayor que la luna. Como Mercurio carece de atmósfera no tiene una ionosfera que forme un sistema de corrientes eléctricas con la magnetosfera, como en el caso de la tierra y entonces se generan diferencias de potencial eléctrico muy altas, del orden de millones de volts. Esto conduce en ocasiones a violentas descargas eléctricas que cruzan la magnetosfera mercuriana. Poco sabemos aún de los detalles de esta magnetosfera y no existen planes a corto plazo para su mayor exploración.

Venus y Marte. Aunque Venus y Marte no tienen propiamente una magnetosfera porque carecen de un campo magnético interno importante, están envueltos en el campo magnético que transporta el plasma proveniente del Sol. Han sido extensamente explorados por vehículos espaciales estadounidenses y soviéticos y se ha observado en sus inmediaciones cuerdas de plasma atado a estas líneas magnéticas, lo cual les proporciona también un entorno magnético y de plasma particular. En el futuro cercano posiblemente sabremos más de estos planetas y de sus capas envolventes de plasma, pues el satélite Magallanes ya se encuentra orbitando Venus y se planea una nueva misión a Marte.

Las magnetosferas de los planetas jovianos (Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno) fueron exploradas por las sondas espaciales Viajero 1 y 2 que fueron lanzadas en 1977; llegaron a Júpiter en 1979 y en la década de los años ochenta a los demás planetas. Estas exploraciones, aunadas a observaciones de las emisiones de radio de estos planetas desde Tierra y a bordo de satélites, han proporcionado imágenes más o menos generales, aunque aún poco detalladas, de las magnetosferas de estos cuerpos. En términos generales son semejantes a la de la Tierra: presentan una nariz comprimida por el flujo del viento solar y una enorme cola magnetosférica que se extiende del lado noche del planeta. Enfrente de cada una de ellas se encuentra una onda de choque y están también rodeadas por una magnetofunda. En su interior, el plasma se organiza en diversas regiones con características diferentes y fluye de manera más o menos ordenada entre algunas de ellas. Pero ya en detalle, cada magnetosfera es un ente realmente único.

Júpiter. La magnetosfera de Júpiter es la más grande, la más dinámica y en la que se dan procesos que implican la mayor energía en las magnetosferas del Sistema Solar. El diámetro de su enorme cola es de aproximadamente 3 000 radios terrestres y si la magnetosfera joviana fuera visible, vista desde la Tierra ocuparía una región de más de cuatro veces la Luna llena. Esta magnetosfera se extiende en la dirección del Sol hasta unos 100 radios de Júpiter y su cola mide al menos 10 000 RJ. Para tener una idea del enorme tamaño de Júpiter baste decir que toda la magnetosfera de la Tierra cabría en el interior del planeta; para imaginarnos la enormidad de su magnetosfera es interesante destacar que al Viajero 2, que tenía una

velocidad media de 35 000 kilómetros por hora, le tomó 35 días cruzar sólo una porción de esta magnetosfera.

Júpiter también está rodeado por cinturones de partículas energéticas atrapadas en su campo magnético, las cuales emiten señales de radio notablemente intensas; después del Sol, la magnetosfera de Júpiter es la fuente de emisiones de radio más brillante del cielo. Esta magnetosfera es también un poderoso acelerador de partículas, algunas de las cuales llegan a tener tanta energía que escapan de ella y se registran en el medio interplanetario y también en la Tierra. Como era de esperarse, se han registrado también fenómenos semejantes a las auroras polares terrestres en la magnetosfera y la atmósfera de Júpiter.

Como ya mencionamos, el plasma de la magnetosfera terrestre proviene principalmente de la ionosfera, con cierta contribución del plasma solar. A diferencia de esto, el plasma de la magnetosfera de Júpiter proviene principalmente de los gases volcánicos que se escapan de su satélite más interior, Io, y sólo en segundo término de la ionosfera joviana. Io proporciona masa a una tasa del orden de 1 000 kilogramos por segundo y la presión de este flujo de plasma es tan grande que incluso logra deformar la magnetosfera joviana. De hecho, esta presión del plasma contribuye a detener al viento solar (no sólo la presión del campo magnético comprimido, como en el caso de la Tierra) y es en parte por esto que la magnetosfera de Júpiter es tan grande.

Entre los fenómenos más extraños descubiertos en la magnetosfera joviana está un inmenso tubo de flujo de plasma que conecta a Júpiter e Io y que conduce una corriente eléctrica de cerca de 5 000 000 de amperes. Cruzando este tubo está un toro (una dona) de plasma todavía más grande que envuelve la órbita de Io y rodea al planeta. La configuración de este toro es similar a la que se ha intentado lograr en el laboratorio por más de cuatro décadas para confinar plasma y producir la fusión nuclear controlada. Hasta ahora, el confinamiento de un toro de plasma en el laboratorio sólo se ha logrado por unos segundos. En contraste, el toro de plasma que rodea a Júpiter tiene una vida que ya puede medirse en millones de años.

Sin embargo, poco se sabe aún de esta enorme y dinámica magnetosfera. La misión espacial Ulises, cuyo objetivo principal es sondear el plasma del medio interplanetario fuera del plano de la eclíptica (el plano donde se encuentran todas las órbitas de los planetas, salvo la de Plutón) examinó nuevamente este año la magnetosfera de Júpiter y la misión Galileo llegará para quedarse orbitando a este planeta a finales de 1998. Así pues, en el futuro cercano tendremos mucha información nueva de la magnetosfera joviana y de sus interesantísimos entornos de plasma.

Saturno, Urano y Neptuno. Las magnetosferas de los planetas más lejanos se conocen menos aún y tardaremos más en estudiarlas en detalle, pero ya se tienen ciertas imágenes más o menos características de cada una de ellas. En general son más chicas y menos dinámicas que la de Júpiter. También poseen cinturones de radiación atrapada en sus campos

magnéticos y emiten ondas de radio, aunque en frecuencias tales que no logran penetrar la ionosfera de la Tierra y sólo se pudieron registrar con el advenimiento de la tecnología espacial que permitió su observación desde el espacio. También se han observado en estos planetas fenómenos aurorales y descargas eléctricas notables, pero fuera de estas semejanzas generales, cada una de ellas es muy diferente de las demás y presenta fenómenos que sólo ahí se han registrado por primera vez. Aunque aquí no abundaremos más en este tema, sí debemos mencionar que el estudio de todo este zoológico de magnetosferas presenta desafíos muy interesantes para la teoría física del plasma y que éstas muestran una variedad tan rica de situaciones inesperadas que sin duda enriquecerán notablemente nuestro conocimiento del comportamiento de la materia en su cuarto estado.

V. EL PLASMA SOLAR

AL SALIR del entorno magnético de la Tierra nos adentramos ya en el medio interplanetano. Este medio, lejos de estar vacío, se encuentra ocupado por el plasma solar que fluye velozmente desde el Sol, segregando y confinando a su paso a los plasmas y campos planetarios para imponerse en una enorme región del espacio. En este capítulo describiremos el plasma solar tanto aquel que se encuentra confinado por el campo gravitatorio y el campo magnético del Sol y constituye propiamente nuestra estrella, como aquel otro que vence la gravedad y el confinamiento magnético y fluye vertiginosamente hacia el espacio, demarcando así el tamaño total de la región de influencia del Sol, o más propiamente, del Sol mismo.

EL PLASMA QUE FORMA UNA ESTRELLA

El Sol, como todas las estrellas, es una enorme bola de plasma de densidad y temperatura muy altas. Está constituido casi en su totalidad de hidrógeno, con una pequeña componente de helio y todos los demás elementos en proporciones menores. Su parte más densa y caliente se encuentra en el interior, en el llamado núcleo, donde se estima que debe haber una temperatura del orden de 15 000 000 de grados y una presión de miles de millones de veces la presión de nuestra atmósfera. Allí es donde se llevan a cabo los procesos de difusión nuclear que proveen de energía a la estrella, y ésta, a su vez, alimenta de energía al medio que la circunda y los cuerpos que en él se encuentran. Este mismo tipo de procesos es el que se ha buscado controlar en el laboratorio, confinando plasmas de alta temperatura con la ayuda de campos magnéticos muy intensos. Como veremos más adelante, poco se ha avanzado en la tarea de obtener fusión controlada, pero los plasmas naturales del interior de las estrellas producen este tipo de reacciones continuamente y durante tiempos muy largos. Como dato curioso debemos mencionar que, pese a lo que pudiera creerse, el plasma más caliente del Sistema Solar no se encuentra en el núcleo del Sol. Existen evidencias de una región de plasma de alrededor de 30 millones de grados de temperatura en la zona día de la magnetosfera de Júpiter. Aunque esta región es de muy baja densidad y su presencia no es constante, constituye

sin lugar a dudas un interesante misterio de la física de plasmas y seguramente un caso para Ripley.

Aunque el plasma en el interior profundo del Sol tiene un movimiento caótico, hacia su superficie y sobre ella los movimientos del plasma se encuentran ya más ordenados. Por debajo de la superficie del Sol el plasma circula hacia arriba y hacia abajo, formando celdas llamadas de convección, y sobre la superficie y ya en su atmósfera los movimientos del plasma están fuertemente controlados por campos magnéticos locales de diversa intensidad y de variada estructura.

En las manchas solares, regiones oscuras de la capa superficial del Sol, fotosfera, campos magnéticos, de decenas de miles de Gauss controlan el movimiento del material, el cual crea estructuras semejantes a las que forman las limaduras de hierro en los polos de un imán (figura 13). Ya en la atmósfera solar (la cromosfera y la corona) es común encontrar arcos chicos y grandes donde circula el plasma guiado a lo largo de líneas de campo magnético. Algunos constituyen regiones brillantes donde campos magnéticos intensos confinan plasma de alta densidad y temperatura en estructuras de diversos tamaños, desde muy pequeñas (puntos brillantes vistos en rayos X) hasta de tamaño mediano (regiones activas que abarcan varios grados de longitud y de latitud en el sol y que se pueden observar en algunos tipos de luces y en ondas de radio). Mientras que los puntos brillantes se "prenden" y se "apagan" en forma más o menos tranquila, en las regiones activas suelen ocurrir repentinamente explosiones de magnitud colosal, llamadasráfagas, que liberan cantidades enormes de energía hacia el espacio.

Figura 13. En esta fotografía de una mancha solar se aprecian las líneas de flujo del plasma que surgen del centro de la mancha. Las limaduras de hierro sobre el polo de un imán se ordenarán de manera muy semejante.

Pero debido a sus enormes dimensiones, las estructuras más espectaculares se observan en la corona solar; donde arcos de plasma de mayor tamaño que el de la Tierra se establecen sobre la superficie y permanecen ahí por meses, controlados por la estructura del campo magnético en esta región (figura 14). Frecuentemente son tan grandes que pueden verse a simple vista durante los eclipses totales de Sol, aunque en general se observan en

ciertas longitudes de onda particulares con filtros a través del telescopio. Estas estructuras, llamadas protuberancias, pueden extinguirse suavemente o estallar; enviando hacia el espacio grandes cantidades de material solar.

Figura 14. Fotografía de una enorme protuberancia solar, tomada desde el satélite Skylab.

También se observan en la atmósfera del Sol chorros de plasma de diversas extensiones, cuyos movimientos tienen una regulación magnética. Toda la parte baja de la atmósfera, en la cromosfera, está constituida por ese tipo de chorros, llamados espículas, que se mueven y agitan continuamente, mientras que enormes chorros incluso se extienden hasta grandes distancias ya en la corona.

Toda esta dinámica, aparentemente caótica del Sol, sigue sin embargo un ciclo de altas y bajas que tiene un periodo promedio de 11.6 años. Este ciclo, llamado ciclo de actividad solar, está regulado magnéticamente. Es decir; que la alternancia de épocas de frecuentes e intensas manifestaciones de actividad solar, con otras en las que casi están ausentes, tiene que ver con un cambio cíclico del campo magnético general del Sol. La descripción y explicación del ciclo magnético del Sol es motivo de muchos estudios y arduos trabajos teóricos de física de plasmas que, aunque aun no conducen a buenas respuestas, sí han logrado que mejoren las preguntas. El Sol sigue siendo un gran misterio y aunque ya es mucho lo que sabemos de él, es aún muy poco lo que hemos podido explicar.

El plasma solar; caliente e inmerso en el campo magnético del Sol, muestra una enorme gama de fenómenos que no son reproducibles en laboratorio y que por tanto deben estudiarse ahí mismo. Pero como el Sol y su dinámica son un botón de muestra del comportamiento del plasma que constituye a todas las demás estrellas, su estudio reviste una especial importancia. Al Sol se le observa en todas las longitudes de onda del espectro electromagnético, desde tierra y desde el espacio, y muchas misiones espaciales futuras y observatorios de alta tecnología que se están proyectando construir tienen como objeto de estudio al Sol. La familia de físicos solares, aunque aún muy reducida, va en aumento y seguramente el estudio del Sol será un tema de gran actualidad en el próximo siglo.

El lector interesado en conocer con más detalle el plasma que constituye al Sol y su comportamiento le recomendamos la lectura del libro Encuentro con una estrella, número 38 de la colección La Ciencia desde México, obra también de esta autora.

EL VIENTO SOLAR Y LA HELIOSFERA

En la esfera de plasma que constituye al Sol la temperatura cambia de manera muy curiosa. Como ya mencionamos, la fuente de energía del Sol se encuentra en su núcleo, que es una región en el interior profundo de la estrella. Como de ahí sale el calor hacia afuera, es de esperar que la temperatura del plasma solar disminuya hacia el exterior; y en efecto así lo hace hasta la fotosfera. Pero después, repentinamente empieza a subir de nuevo y la cromosfera y la corona son capas más calientes que la fotosfera. De hecho, la temperatura en la corona solar alcanza valores del orden de 2 000 000 grados, no muy diferentes de la temperatura en el núcleo. La razón de este aumento aún no está bien entendida, pero indudablemente tiene que ver con el hecho de que el Sol sea un plasma y de que tenga un campo magnético. Todas las explicaciones que se han intentado y que parecen funcionar se refieren a fenómenos que sólo se dan en plasmas magnetizados. Si el Sol no fuera una estrella magnética su atmósfera no podría ser tan caliente.

Pero el Sol sí es una estrella magnética y su corona alcanza temperaturas tan altas que en ciertas regiones el plasma coronal vence el confinamiento gravitacional y magnético y se lanza hacia el espacio a velocidades vertiginosas. Estas regiones se conocen comohoyos coronales y son las fuentes de lo que llamamos el viento solar. Es este viento el plasma que fluye en el medio interplanetario, arrastrando consigo el campo magnético del Sol y confinando a los campos magnéticos de los planetas en cápsulas magnetosféricas. Este plasma constituye de hecho una extensión del Sol, el cual rigurosamente se extiende hasta envolver a todos los planetas y alcanza distancias mucho mayores que la órbita de Plutón, el más lejano de ellos. Vivimos inmersos en el plasma solar; aunque protegidos en nuestra propia esfera particular de plasma.

La existencia del viento solar fue predicha a fines de la década de 1950 por el físico estadunidense Eugene Parker; como resultado de la alta temperatura de la corona solar aun a gran altura sobre la superficie del Sol. Fue Parker mismo quien bautizó a este flujo como viento solar y utilizó una serie de suposiciones sencillas para desarrollar un modelo matemático del cual se obtenían algunos valores numéricos esperados para las características de este viento a la altura de la órbita de la tierra. En particular estimó su velocidad en varios cientos de kilómetros por segundo y ésta fue la principal razón por la cual su idea de la expansión de la corona no fue aceptada. Sin embargo, poco tiempo después, cuando los vehículos espaciales empezaron a abandonar nuestra magnetosfera y se internaron en el medio interplanetario, las ideas de Parker fueron corroboradas casi al pie de la letra. En 1961 la nave soviética Lunik I y en 1962 la nave

americana Mariner II, midieron in situ las características del plasma del medio interplanetario y comprobaron su gran dinámica.

Vale la pena mencionar aquí que los trabajos en física espacial de Eugene Parker, junto con los de Hannes Alfvén, constituyen una impresionante colección de muestras de fina intuición y amplio dominio de los conceptos de los plasmas espaciales. Ambos han escrito numerosos artículos y libros que abarcan casi todas las áreas de esta disciplina; muchos de ellos son trabajos pioneros y todos son referencias obligadas. Por fortuna, Alfvén y Parker siguen vivos y activos y sus estudios han rebasado ya los confines del Sistema Solar para extenderse a todo el universo de plasma. Son ahora los punteros en la reconstrucción de las interpretaciones cosmológicas y cosmogónicas en términos de un Universo constituido esencialmente por materia en estado de plasma, en el que los campos magnéticos y eléctricos desempeñan un papel muy importante.

El viento solar; predicho y estudiado inicialmente por Parker, se sabe ahora que ocupa una región muy vasta a la que se le ha llamado heliosfera (o esfera del Sol), en donde el Sol impone sus condiciones de quietud o agitación dependiendo de su propia actividad. La heliosfera es también una gran célula que se encuentra diferenciada e inmersa en el plasma interestelar; con el cual tiene una frontera que la confina, la heliopausa. Junto a esta heliopausa se cree que también se forma una onda de choque y aunque todavía se desconoce la distancia que las separa del Sol, se estima que no están más allá de 100 unidades astronómicas (una unidad astronómica —1 AU— es la distancia media de la Tierra al Sol). Los vehículos espaciales Pionero y Viajero se dirigen hacia afuera de la heliosfera y esperamos que en algunos cuantos años nos informen de su cruce por la heliopausa.

Hasta hace poco, la heliosfera y las propiedades del viento solar que la llena sólo se habían podido registrar directamente sobre el plano de la eclíptica, esto es, el plano en el que se encuentran las órbitas de todos los planetas del Sistema Solar; salvo la de Plutón. Ningún satélite o sonda espacial se había despegado mucho de este plano hasta el 8 de febrero de 1992, cuando la sonda espacial Ulises utilizó la enorme fuerza gravitacional de Júpiter para salir de la eclíptica y volver de regreso al Sol, pero "por abajo", para pasar por el polo sur solar en 1994 y explorar la región polar norte en 1995. Por primera vez se está explorando la tercera dimensión de la heliosfera y seguramente en los años venideros tendremos noticias muy interesantes respecto a las características del plasma que se encuentra en las altas latitudes del dominio del Sol.

Pero lo que conocemos hasta ahora ha sido un mar de sorpresas. Muy cerca del Sol, la velocidad del plasma coronal que va a constituir el viento solar aumenta rápidamente y este plasma se vuelve supersónico a unos cuantos radios solares de altura. Poco después alcanza velocidades del orden de 400 kilómetros por segundo (más de 1 000 000 de kilómetros por hora) y manteniendo su velocidad ya prácticamente constante se lanza hasta la onda de choque que indica el fin de la heliosfera. En ocasiones esta

velocidad alcanza valores de 700 y hasta más de 1 000 kilómetros por segundo en las llamadas corrientes de viento solar rápido. Hasta ahora no se puede considerar resuelto el problema teórico de los mecanismos que aceleran al viento a tanta velocidad y ha ocasionado verdaderas quebraderas de cabeza. La alta temperatura de la corona solar no es suficiente para explicar estas velocidades y todos los modelos prometedores necesariamente invocan propiedades muy de los plasmas magnetizados, específicamente su propiedad de transmitir y frenar ondas MHD.

Por otra parte, como la corona solar se expande radialmente hacia el medio interplanetario su densidad decrece como el cuadrado de la distancia. A la altura de la órbita de la Tierra esta densidad es del orden de 10 partículas por centímetro cúbico y a la altura de la órbita de Urano la densidad ya es del orden de 10-2 partículas por centímetro cúbico (una partícula por cada 100 centímetros cúbicos). Los vacíos más ambiciosos logrados en el laboratorio o en la industria tienen una densidad de partículas muchísimo más altas que estos valores y para cualquier propósito práctico en la Tierra, esto es igual a nada. De hecho, si en el espacio interplanetario hubiera 10 átomos neutros de hidrógeno por centímetro cúbico, sería lo mismo que sí estuviera vacío, pero los átomos de hidrógeno del viento solar están ionizados, formando una sopa de protones y electrones libres del amarre atómico. El viento solar es un plasma y eso representa una enorme diferencia.

Desde muy cerca del Sol la densidad del viento solar es tan baja que el camino libre medio de las partículas es muy grande, del orden de 1 AU. En estas condiciones el plasma del viento solar se considera un plasma sin colisiones. En el plasma del medio interplanetario se propaga una gran variedad de ondas. Algunas de ellas incluso llegan a convertirse en ondas de choque cuya formación normalmente requiere la presencia de colisiones), semejante a las que causan las explosiones atómicas; estas ondas viajan desde el Sol hacia los planetas y causan alteraciones muy intensas en sus magnetosferas. La tecnología moderna sufre graves pérdidas económicas anuales a causa de estas alteraciones y muchas de las actividades aéreas, marítimas y con los satélites se ven en dificultades debido a las perturbaciones que origina un plasma que llega a la Tierra con una densidad de ¡unas cuantas partículas por centímetro cúbico! En las ondas de choque que se propagan en fluidos dominados por colisiones la viscosidad y la conductividad térmica son determinantes en la evolución y la dinámica del choque. Sin embargo, en los choques sin colisiones que se generan en el espacio no se sabe aún cómo se transfiere el momento ni cómo se conduce el calor.

En términos generales, el plasma del viento solar se comporta como un fluido, aun a la distancia tan grande de 100 UA, donde otra onda de choque de dimensiones colosales antecede a la heliopausa. Es evidente que en el plasma se dan formas de comunicación entre sus partículas que no implican colisiones coulombianas. No vamos a entrar aquí en detalles respecto a estas formas, pero se cree que es la presencia del campo magnético solar que el viento arrastra en su interior la que añade "cohesión" al diluido plasma interplanetario.

Sin embargo, el plasma del viento solar se sigue comportando como un fluido aun en situaciones en las que no es posible invocar el efecto cohesivo del campo magnético. Forma ondas de choque también en su encuentro con los cometas, que son obstáculos de sólo algunos kilómetros. El campo magnético no puede explicar este comportamiento fluido a escala tan pequeña y es evidente que debe existir otro mecanismo de información; se cree que éste es cierta forma de interacción entre ondas y partículas en el plasma. Lamentablemente, como mencionamos al principio de este libro, las propiedades de los plasmas no son "escalables" y no tiene porvenir experimentar con un plasma de muy baja densidad en el laboratorio. Una botella con 10 protones y 10 electrones se comporta exactamente igual que si estuviera perfectamente vacía, pues es la enorme escala de las regiones que ocupan este tipo de mezcla de partículas en el espacio la que hace que las consideremos como plasma.

Hay mucho por hacer (de hecho casi todo) en el terreno de la física de los plasmas sin colisiones, pero como casi todo el Universo está lleno de plasmas de este tipo, es indispensable hacerlo si queremos entender la estructura y dinámica de los vastos plasmas espaciales.

VI. LOS PLASMAS EN EL UNIVERSO

HACE algunos años Hannes Alfvén acuñó el término universo de plasma para designar al mismo Universo que ya conocemos, pero haciendo énfasis en el hecho de que el 99% de la materia que lo constituye se halla en estado de plasma. Hay plasmas en todas partes y no hay una sola región del espacio que pudiéramos considerar vacía. Es más, los plasmas espaciales están siempre magnetizados ya que hay campos magnéticos a todo lo largo y ancho del Universo. El campo magnético es prácticamente ubicuo.

Pero los campos magnéticos no simplemente están ahí, sino que desempeñan un papel preponderante en la evolución, la estructura y la dinámica del Universo. Es muy probable que sin estos campos los planetas no se hubieran formado, algunas estrellas tampoco se habrían llegado a condensar y las protogalaxias posiblemente nunca se hubieran desarrollado a partir del tenue gas original sin un campo magnético. El significado de la presencia del campo magnético en el Sistema Solar; en el espacio interestelar y más allá de las galaxias está siendo reconocido y ahora resulta difícil no aceptar la existencia de un campo magnético primigenio que llena el espacio intergaláctico y que ha ayudado a dar forma a las galaxias y a todos los cuerpos estelares en todas las escalas. Sin campo magnético no habría historia que escribir ni nadie que la escribiera.

Los rápidos avances de la radioastronomía a partir de 1945, y los posteriores desarrollos de la astronomía de luz ultravioleta y rayos X y γ debidos a la tecnología espacial, han dado un gran impulso al estudio de los campos magnéticos cósmicos. Parte de la radiación en estas longitudes

de onda y que proviene de cuerpos y ambientes celestes que recibimos en la Tierra es producida simplemente porque el plasma es caliente; pero otra parte se debe a procesos que de una u otra forma incluyen la presencia del campo magnético. El estudio de estas emisiones, apoyado en modelos teóricos y en nuestras experiencias con los plasmas en el laboratorio y en nuestro espacio cercano, nos proporciona mucha información sobre los plasmas y campos magnéticos astrofísicos que se encuentran tan distantes.

La ubicuidad del campo magnético y el hecho de que la materia del Universo está principalmente en estado de plasma se conocen ya desde hace tiempo. Sin embargo, el que la materia esté ionizada y sea altamente conductora de corrientes eléctricas y sumamente sensible a los campos electromagnéticos no se ha tomado mucho en cuenta en los modelos fisicomatemáticos del Universo. La principal razón es que las fuerzas electromagnéticas complican enormemente las ecuaciones de trabajo, además de que, en general, son muy difíciles de conocer. Pero por otra parte también ha existido el prejuicio de que las correcciones introducidas a las imágenes generales serían muy pequeñas de todas maneras. Ahora sabemos que esto no es así.

El tremendo poder de las computadoras actuales ha hecho posible llevar a cabo cálculos tridimensionales completos, tomando en consideración tanto las fuerzas electromagnéticas como las gravitacionales en los plasmas que llenan el espacio y en aquellos que constituyen los cuerpos estelares. Estas simulaciones han mostrado que un universo lleno de plasma que interactúa tanto gravitacional como electromagnéticamente se comporta de manera muy distinta a la de un universo de cuerpos celestes separados por un vacío e interactuando sólo en forma gravitacional. La principal diferencia está en que las fuerzas electromagnéticas son 39 órdenes de magnitud más intensas que las fuerzas gravitacionales, como se aprecia al comparar la atracción gravitacional entre dos electrones con su repulsión eléctrica. Aun en las estrellas, donde grandes cantidades de masa se reducen en espacios relativamente pequeños, los fenómenos que ocurren y las estructuras que se forman surgen de una combinación de efectos gravitacionales y efectos de plasma.

PLASMAS ASTROFÍSICOS

Las características de los plasmas astrofísicos (su densidad, su temperatura y su campo magnético) cubren un amplio rango de valores en el Universo. La densidad puede ser de menos de una partícula por centímetro cúbico (como en el medio intergaláctico) hasta muchos billones de billones de partículas por centímetro cúbico como (en el interior de las estrellas). La temperatura va desde algunos miles o decenas de miles de grados en los espacios intergaláctico e interestelar hasta varios millones en el interior de las estrellas. Y los valores del campo magnético también cambian muy drásticamente, desde valores de millonésimas de Gauss en el plasma intergaláctico hasta cientos de miles de Gauss en algunas estrellas. En astrofísica, pues, es fundamental la investigación de los plasmas magnetizados.

Como ya mencionamos al hablar del Sol, todas las estrellas son bolsas de plasma, aunque de características físicas y químicas diferentes; bolsas que están en equilibrio debido a la acción combinada de la presión del plasma caliente que las forma y que tiende a expandirlas y la atracción gravitacional que las fuerza a colapsarse. El plasma de las atmósferas estelares se puede considerar como una sopa de iones, electrones, átomos y moléculas neutras y radiación electromagnética, o fotones. En esta sopa constantemente se están ionizando nuevos átomos, al mismo tiempo que se están recombinando iones y electrones para formar átomos neutros, absorbiendo y emitiendo fotones en estos procesos. Al igual que en el Sol, existen muchas estrellas en las que el equilibrio se pierde en su atmósfera y la presión del plasma vence a la fuerza gravitacional, escapando de la estrella y produciendo un viento estelar.

Al igual que en su atmósfera, el interior de las estrellas está en estado de plasma. La densidad y temperatura del plasma en el interior de una estrella aumentan según el estado de avance en su evolución. Para el Sol, que es una estrella de mediana edad, la densidad es del orden de 100 gramos por centímetro cúbico y la temperatura es del orden de decenas de millones de grados. Pero para una enana blanca, que está en un estado de evolución posterior (al cual muy probablemente llegará nuestro sol en varios miles de millones de años), la densidad alcanza entre cien mil y cien millones de gramos por centímetro cúbico.

Las estrellas también tienen campo magnético. En 1899 Bigelow sugirió que el Sol podía ser un imán gigantesco. Estaba muy impresionado por la notable semejanza entre las líneas de campo de una esfera imantada y las plumas coronales, que son rayos de material que se ven surgir de los polos del Sol cuando se observa la corona durante un eclipse total. Sin embargo, no existía ninguna manera de medir desde la Tierra campos magnéticos distantes hasta que se descubrió el efecto Zeeman hacia finales del siglo pasado. Este efecto consiste en la multiplicación de las líneas espectrales de los átomos cuando emiten luz en un ambiente magnético y de este desdoblamiento de líneas se puede inferir la intensidad del campo. En 1908 Hale usó por primera vez el efecto Zeeman para hacer mediciones del campo magnético del Sol y descubrió que las manchas solares están permeadas por campos del orden de miles de Gauss. Posteriormente se determinó que el Sol tiene también un campo general (global) semejante al de un imán. La tarea, mucho más difícil, de detectar campos magnéticos en estrellas más distantes, no se pudo realizar sino hasta 1951, cuando Babcok desarrolló equipo de mucha precisión. Desde entonces se han investigado muchas estrellas y en gran proporción de ellas se han encontrado campos magnéticos de hasta varios miles de Gauss.

Pero los plasmas densos, calientes y magnetizados no solamente se encuentran en las estrellas comunes, sino también en otros cuerpos astrofísicos más conspicuos, como los remanentes de supernovas, los pulsares, las estrellas de rayos X, los núcleos activos de las galaxias y los causares. No importa que características tenga ni qué nombre le demos. Si es un objeto astral, seguramente contiene materia en estado de plasma y un campo magnético considerable.

El plasma que llena el medio interestelar tiene densidades que van desde mucho menos de una partícula por centímetro cúbico hasta 1 000 partículas por centímetro cúbico en las nubes. Aquí el gas es principalmente hidrógeno y aproximadamente un 10% de él está ionizado por la luz ultravioleta y los rayos X provenientes de las estrellas. Hay también una pequeña proporción de gases metálicos, la cual es muy importante pues estos gases se ionizan muy fácilmente. Esto asegura que el gas, aun en regiones bastante frías donde hay mucho hidrógeno atómico, es eléctricamente conductor; es decir; es un plasma.

El campo magnético interestelar fue propuesto por Alfvén y desde 1949 se empezaron a detectar sus efectos. Actualmente, la existencia de estos campos ha sido ampliamente confirmada por las observaciones de radio, las cuales han demostrado también que su magnitud varía entre tres millonésimas y una cienmilésima de Gauss. Sin embargo, estos campos magnéticos tan débiles que atraviesan todo el espacio ocupado por las galaxias y que evolucionan y se intensifican conforme la galaxia se desarrolla, son responsables de muchos efectos de importancia fundamental: controlan el movimiento del material y la formación de nubes; desempeñan un papel importante, tal vez esencial, en el nacimiento de las estrellas, y son la causa de ciertos efectos electrodinámicos y de numerosas emisiones de radio, rayos X y rayos γ. Son también responsables de que algunas partículas se aceleren hasta muy altas energías, los llamados rayos cósmicos (que ya mencionamos en el capítulo III), las cuales se distribuyen por todo el espacio y bombardean continuamente a la Tierra desde todas direcciones.

En realidad, a pesar de lo que pudiera parecer; la dinámica del medio interestelar es muy compleja. Regiones calientes y frías que contienen hidrógeno ionizado y neutro respectivamente, pero ambas con suficiente sensibilidad electromagnética como para estar en estado de plasma, se expanden y se comprimen siguiendo la actividad estelar. Las capas de plasma que arrojan las supernovas y las expulsiones menos violentas que forman las nebulosas planetarias comprimen y alteran a su paso las características del plasma del medio interestelar. Algunas de estas interacciones llegan a formar ondas de choque, que son estructuras muy efectivas para acelerar partículas. En las zonas de hidrógeno ionizado, que tienen temperaturas de más de 10 000 grados, el plasma muestra una estructura altamente filamentada.

Al igual que el medio interestelar; el medio intergaláctico también contiene plasma, campo magnético, radiación electromagnética y partículas de muy alta energía (rayos cósmicos). La estructura del campo intergaláctico se infiere de la forma de las radiogalaxias (fuertes emisoras de radio), las cuales contienen muchísima más energía magnética que cinética. Cada vez es más evidente que los campos magnéticos dan la forma y estructura a las galaxias, desempeñan un papel muy importante en su dinámica y que incluso pueden hacerlas explotar.

Hasta ahora, los modelos astrofísicos que toman en cuenta la sensibilidad del plasma a las fuerzas electromagnéticas que, como ya mencionamos, empiezan a investigarse con ayuda de las supercomputadoras, han reproducido con éxito gran cantidad de observaciones que no podrían ser explicadas sin estas fuerzas. Se han podido reproducir tanto la intensidad de la radiación detectada proveniente de radiogalaxias distantes y cuasares, como los complejos mapas de los modelos de radio realizados por los radiotelescopios y se predijo la existencia de una estructura helicoidal de plasma de gran extensión en el centro de nuestra Vía Láctea. En el verano de 1984, usando el Very Large Array (el más potente radiotelescopio del mundo, que se encuentra en Nuevo México) los científicos descubrieron este plasma magnetizado en el centro de nuestra galaxia está estructurado en filamentos helicoidales con una longitud de cientos de años luz, lo cual excede en tamaño a todo lo que antes se había pensado que fuera posible que existiera en lo que se refiere a las estructuras de materia organizada en términos de fuerzas gravitacionales únicamente. En la actualidad, los campos magnéticos en las galaxias constituyen una de las áreas de más rápido crecimiento en la investigación astrofísica y el estudio de los campos intergalácticos es ya tema de simposios internacionales.

EPÍLOGO

Cuando un libro comienza con un prólogo, debe terminar con un epílogo. Si no, sería como entrar a una casa saludando para después salir sin despedirse. Sin embargo, en este epílogo ya no queda mucho más que decir. Sólo esperamos que el breve y, necesariamente, incompleto y superficial tratamiento que se ha hecho de los plasmas en este libro sirva de incentivo para estudiarlo con más profundidad. Todavía no se entiende bien al plasma, y aunque los plasmas de laboratorio (que no hemos tratado aquí) tienen ya una larga y sólida trayectoria, el estudio de los plasmas espaciales está aún en su infancia. Hace menos de una década que empezaron a combinarse los datos de los observatorios en órbita que ven otras luces, los de los radiotelescopios en tierra y los datos de las sondas espaciales que han viajado a muy diversas regiones del Sistema Solar para ir estructurando una imagen coherente de los plasmas espaciales. Como Galileo con su telescopio, hemos empezado a ver cosas que nunca antes habíamos visto y que a veces nos resultan desconcertantes.

La mayoría de los libros acerca del Universo, de los artículos de las revistas y periódicos y casi todos los libros de texto sobre astrofísica prestan aún muy poca atención a la física del plasma. Pero ya no se puede negar que el 99% de la materia que constituye el Universo se encuentra en estado de plasma y que el comportamiento de éste es muy diferente a lo que habíamos pensado antes en relación con los gases cósmicos. No nos queda más remedio que esforzarnos en conocerlo mejor. Es necesario lograr una clara conexión entre la física de plasmas en el laboratorio y los plasmas astrofísicos con el propósito de unificar nuestra investigación a lo largo de muchos órdenes de magnitud, desde los microsistemas celulares en los plasmas aquí en la Tierra hasta las enormes parcelas en las que está estructurado el Universo.

Hoy resulta evidente que, para entender al Universo, no sólo debemos conocer las leyes gravitacionales sino también las que gobiernan el comportamiento electromagnético del plasma. Un número cada vez mayor de astrofísicos está siendo impulsado a observar con mayor profundidad el plasma; y conforme con los nuevos datos, se desarrollan nuevas tecnologías para manipularlos. Si bien la tarea no es fácil, es seguro que nuestros esfuerzos serán recompensados con gran cantidad de enriquecedoras novedades.

BIBLIOGRAFÍA

Textos sobre los conceptos básicos de los plasmas:

Forrest I. Boley. Plasmas en el laboratorio y en el cosmos. Reverté, 1968.

D. A. Frank-Kamenetski. El plasma, cuarto estado de la materia. Mir.1970.

V. Milántiev y S. Temkó. Física del plasma. Mir. 1983.

Textos sobre plasmas naturales en diferentes ambientes:

Silvia Bravo. Encuentro con una estrella. FCE Colección La Ciencia para Todos, núm. 38, 1987.

Anthony Peratt. Physics of the plasma universe. Springer-Verlag, 1991.

Textos sobre plasmas de fusión:

Julio Martinell. Los prometeos modernos o el esfuerzo para controlar la fusión nuclear.FCE, Colección La Ciencia para Todos, 1993.

CONTRAPORTADA

¿Sabía usted que más de 99% de la materia del Universo se encuentra en estado de plasma? La llama de un mechero es materia en estado de plasma; la atmósfera se convierte en un plasma cuando ocurre una aurora; la ionosfera es un plasma; el Sol es una esfera de plasma; el medio interplanetario, el interestelar y el espacio intergaláctico están llenos de plasma... "la naturaleza le tiene horror al vacío; ha llenado todo el espacio de plasma".

Se le ha denominado cuarto estado de la materia, aunque, nos dice Silvia Bravo, más bien sería el primero, porque fue en modo de plasma como nació el Universo y es también la forma en él más abundante. El descubrimiento de la presencia universal del plasma, de sus características y comportamiento, ha cambiado nuestra concepción de los cuerpos y el espacio que constituyen el Universo.

La física de los plasmas es una rama aún joven de la ciencia, pero fundamental para la astrofísica, y una promesa por tanto de la posibilidad de nuestro conocimiento del origen y evolución del Universo.

Es, pues, ésta una obra de gran interés para los estudiosos de la física y para todo aquel que guste acercarse a los avances de la ciencia en el entendimiento del Universo, donde el análisis de los diversos aspectos del tema resulta muy sugerente, como sucede siempre con los buenos tratados de divulgación científica.

Silvia Bravo obtuvo su licenciatura en física teórica y experimental en la UNAM, donde también logró su maestría en física y el doctorado en física experimental, aunque su investigación doctoral la hizo en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, Inglaterra. Es investigadora titular del Instituto de Geofísica de la UNAM, así como docente en el área de estudios espaciales. En esta colección ha publicado Encuentro con una estrella, así como varios libros y artículos científicos en diversas revistas especializadas.

Diseño original: Carlos Haces/Diseño de portada: Teresa Candela/Fotografía: Cecilia Lemus