¿Qué sucede cuando las líneas de campo magnético se rompen o se cortan?

Question

En las discusiones sobre manchas solares y auroras en la Tierra, las líneas del campo magnético a menudo se describen como "rompiéndose" o "quebrándose", lo que resulta en la liberación de partículas cargadas de manera muy energética.

Entiendo que las líneas de campo son solo una herramienta de visualización. No entiendo, intuitivamente, cómo una línea de campo podría romperse o quebrarse, o por qué eso resultaría en una liberación de energía.

Me resulta difícil incluso plantear esta pregunta porque el concepto de una línea de campo que se rompe simplemente no tiene sentido para mí. ¿Qué está sucediendo cuando un campo magnético "se rompe"?

Answer 1

Mi entendimiento es que las líneas de campo son simplemente una herramienta de visualización que muestra puntos de momento magnético equipotencial tangentes a la línea.

Sí, las líneas de campo son solo herramientas de visualización que inventamos nosotros (los humanos), no son objetos físicos.

No entiendo, intuitivamente, cómo una línea equipotencial podría romperse o quebrarse, o por qué eso resultaría en una liberación de energía.

Esto es una consecuencia desafortunada de simulaciones y en parte debido a descripciones de comunicados de prensa. En el proceso de reconexión magnética, la topología del campo magnético cambia realmente pero los campos son una construcción continua. Lo que sucede es que el flujo magnético se está convirtiendo en energía cinética de partículas. Es decir, el flujo a través de la región de reconexión está disminuyendo y esa energía debe ir a alguna parte. El resultado es un campo eléctrico inductivo que acelera partículas. Debido a que los campos magnéticos experimentan algo parecido a tensión como en un cable, cuando se doblan experimentan un efecto similar a una fuerza que actúa para enderezar las líneas de campo, por así decirlo. Nuevamente, esta es una forma de visualización de describir las cosas pero la forma física es que los gradientes en los campos tienden a trabajar para deshacerse de sí mismos en ausencia de otras fuerzas.

Me cuesta incluso formular esta pregunta porque el concepto de una línea de campo que se rompe simplemente no tiene sentido para mí. ¿Qué está sucediendo cuando un campo magnético "se rompe"?

Tu confusión es justificada, como mencioné anteriormente. Las líneas de campo no se rompen, quiebran ni se mueven a pesar del lenguaje que a menudo se usa para describir estos fenómenos. Es una elección desafortunada que alguien elige para describir algo que sabe que no es físicamente cierto porque a veces es más fácil que describir lo real. A veces hay personas que realmente no saben que las líneas de campo son construcciones artificiales y realmente creen que son objetos físicos. No estoy de acuerdo con ninguno de estos, obviamente.

Así que intenta pensar en las cosas de la siguiente manera. El plasma involucrado en la reconexión fluye hacia la región de interés. Ignoraremos regiones cerca de una fuente de campo magnético como estrellas o cuerpos planetarios magnetizados. En estos casos, la única fuente del campo magnético son las corrientes creadas por los desplazamientos relativos entre partículas cargadas opuestamente. El campo magnético y el plasma están acoplados entre sí en plasmas altamente conductivos a través de lo que se llama la condición de congelación (es decir, solo una forma de conservación del flujo), como se describe en https://physics.stackexchange.com/a/551944/59023. Si el plasma en dos regiones adyacentes comienza a fluir hacia el otro y los campos magnéticos de cada región tienen al menos alguna proyección antiparalela entre sí, entonces el plasma puede generar una capa de corriente delgada. Si la capa de corriente se vuelve lo suficientemente delgada y fuerte, puede volverse inestable a fenómenos como las inestabilidades por desgarramiento y filamentación (es decir, una capa de corriente se descompone en finos hilos de corriente). El resultado final es la destrucción del flujo magnético, la radiación de numerosos modos electromagnéticos y, en última instancia, la transferencia de energía de los campos electromagnéticos a las partículas.

Estoy siendo intencionalmente vago en la última oración porque aunque sabemos mucho sobre la reconexión magnética, todavía hay muchas preguntas sin respuesta. Esta es una de las muchas razones por las que la NASA lanzó la Magnetospheric Multiscale Mission que ha ayudado a iluminar que la reconexión no es un concepto fluido, como a menudo se presenta en discusiones de MHD , sino uno cinético con una separación de escalas entre electrones e iones.

Answer 2

Considere el siguiente imán de barra, con las líneas de campo no físicas dibujadas a su alrededor. El verdadero campo vectorial magnético es tangente a estas líneas y está representado por triángulos negros (un campo vectorial magnético siempre emana del polo norte para terminar en el polo sur, aunque continúa dentro del imán):

Ahora considere la siguiente imagen de dos imanes de barra equivalentes y las líneas de campo asociadas (en las cuales para cada línea de campo solo se muestra una dirección del vector del campo magnético por un triángulo muy pequeño):

Las líneas de campo siempre son líneas cerradas. Esto es fácil de ver en el imán individual (las líneas continúan dentro del imán). Todas las líneas de campo entre los dos imanes están conectadas (a través de las líneas dentro de los imanes) con las líneas en el extremo izquierdo y derecho dirigidas lejos de los imanes (lo que las hace cerradas, aunque es difícil de visualizar).
Ahora, cuando alejamos los imanes entre sí (para formar dos imanes de barra separados), las líneas de campo entre los imanes (que en realidad no están separadas, pero no se pueden dibujar un infinito de líneas de campo) también se alejan entre sí, al igual que las líneas en el extremo izquierdo y derecho del arreglo de doble imán de barra. Las líneas de campo en el extremo izquierdo se doblan hacia arriba (formando líneas cerradas con las que se doblan hacia arriba a la derecha, lo que hace visible su naturaleza cerrada, al igual que las líneas individuales que ya se doblan hacia adentro son cerradas) para conectarse con las líneas de campo a la izquierda de las líneas de campo en el medio (con respecto a una línea vertical en el medio de los dos imanes). Por lo tanto, estas líneas en el medio parecen "romperse", al igual que las líneas cerradas que emergen desde la izquierda y entran a la derecha después de lo cual se vuelven a conectar para formar dos bucles cerrados en cada imán. El proceso inverso, es decir, dos líneas cerradas formando una línea cerrada (que también es una forma de romperse), ocurre, como habrás imaginado al acercar dos imanes de barra, en el mismo arreglo que se muestra, para formar un imán de barra.

Debido a que alejamos los imanes, la energía potencial contenida en los campos magnéticos de dos imanes de barra es mayor que en uno solo (si los dos imanes de barra se hicieran a partir de uno solo cortándolo en dos). Puedes imaginar alejarlos entre sí, ¡y "zas"!, surgirán dos imanes con una energía más alta (en realidad la energía aumenta por infinitos zas de manera continua, pero separarlos muy rápido se sentirá como un solo zas).

Los campos magnéticos alrededor de los imanes de barra son creados por los espines de electrones desapareados en la capa externa de los átomos. Cada espín produce un campo magnético minúsculo y en los ferromagnetos (que son los que consideramos aquí), si la temperatura no es demasiado alta, todos estos campos minúsculos están permanentemente alineados, lo que minimiza la energía interna del ferromagneto.

Ahora, estos tipos de procesos (de formas muy distorsionadas y en escalas mucho más grandes) también tienen lugar en la superficie del Sol, pero los campos vectoriales magnéticos (cerrados) son producidos por enormes corrientes de plasma y las líneas de campo magnético son líneas cerradas alrededor de estas corrientes de plasma. Estas corrientes de plasma cambian constantemente y, por lo tanto, las líneas de campo magnético también lo hacen. Esto induce campos eléctricos, que aceleran partículas cargadas, principalmente protones, electrones y una fracción relativamente pequeña de núcleos de helio (rayos cósmicos solares). Cuando dos o más líneas de campo cerradas surgen de una línea de campo cerrada (por ejemplo, cuando una corriente de plasma se divide en dos o más), el campo eléctrico inducido se vuelve repentinamente más alto y este aumento repentino del campo eléctrico inducido produce una ráfaga de protones, electrones y helio de alta energía (partículas alfa).
Así como en el caso de dos imanes que se separan muy rápidamente, aumentando así la energía del campo magnético de manera instantánea, el aumento repentino de la energía del campo magnético se convierte en una ráfaga de radiación cósmica, lo que reduce la energía contenida en los campos magnéticos alrededor de las dos (o más) corrientes de plasma emergentes (debido a lo cual las corrientes de plasma se reducen en fuerza como reacción). La diferencia con el caso de los dos imanes es que la energía aumentada en el campo magnético de los dos imanes permanece (aproximadamente) la misma, sin transferir la energía incrementada a otras cosas.

Puedes compararlo con las líneas de presión igual en el desarrollo meteorológico. Estas líneas también son siempre cerradas y pueden fusionarse o dividirse para formar nuevas líneas cerradas de presión igual. Las energías asociadas están contenidas en los vientos. Cuando una línea de baja presión cerrada "zas" en dos líneas cerradas, se liberará más energía eólica que en el caso de la línea de baja presión cerrada única.

Answer 3

Estás en lo correcto: las líneas del campo magnético no pueden romperse o quebrarse porque no son objetos físicos. Son más análogas a las líneas de elevación en un mapa topográfico, o más precisamente a líneas perpendiculares a las líneas de elevación: a las líneas de caída en una pista de esquí. Sin embargo, sí describen algo físico, que es la distribución del campo magnético. Cuando las fuentes del campo magnético se reorganizan, las "líneas del campo magnético" pueden cambiar de forma discontinua, y es ese cambio discontinuo al que se refiere como "romperse" o "quebrarse".

Answer 4

Simulé dos imanes de barra con 4 dipolos cada uno y tracé las líneas de campo e intensidad de campo alrededor de ellos.

Esto es lo que observé.

Observé que la cadena de dipolos forma un conjunto de puntos nulos en el campo a cada lado de la cadena. A medida que los imanes se separan, dos de estos puntos nulos (puntos verdes) se alejan del punto de separación, y aquí es donde las líneas de campo "se rompen". En realidad, lo que sucede es que las líneas de campo se reforman, cambiando de las líneas de campo que rodean al imán de barra combinado a las líneas de campo que rodean a los dos imanes de barra separados.

Las líneas de campo "se rompen" al pasar por el punto nulo. En realidad no se están rompiendo, pero como la intensidad del campo desaparece en el punto nulo, cada línea de campo puede reformarse suavemente en dos nuevas líneas de campo que rodean a los dos imanes separados. Las líneas de campo están dibujadas para seguir la dirección del campo, pero no muestran la intensidad del campo, por lo que parecen romperse al pasar por los puntos nulos.

Al moverse un material a lo largo de una línea de campo y encontrarse con un punto nulo, estará libre del campo, y si el campo circundante es demasiado débil para recapturarlo, este material escapará al espacio.

Answer 5

Haz este experimento. (Prepárate para limpiar un poco.)

Coloca un pequeño imán de barra debajo de un trozo de papel rígido. Espolvorea limaduras de hierro encima. Esas "herramientas de visualización" "imaginarias" se vuelven bastante evidentes. Ahora, da la vuelta al papel y al imán para que las limaduras de hierro estén debajo del papel. Ahora, aleja el imán del papel y observa cómo caen las limaduras. Inicialmente, las líneas de flujo magnético y sus propiedades ejercen suficiente fuerza para superar otras fuerzas y mantener las limaduras en su lugar. A medida que el imán se aleja de las limaduras, en algún momento eso ya no es cierto y la gravedad toma el control para hacer que las limaduras "vuelen" lejos del papel.

Ahora, visualiza una estrella infestada de gravedad, convectiva, de horno nuclear, induciendo sus propias corrientes eléctricas y poderosos campos magnéticos. Por simplicidad, llamémosla una estrella. A medida que ocurren corrientes convectivas físicas, se desarrollan campos magnéticos localizados y se manifiestan como manchas solares, llamaradas, etc.

Visualiza también que nuestras limaduras de hierro ahora son chorros de plasma en streaming sujetos a muchas fuerzas diferentes pero siguiendo trayectorias continuas a medida que nuestra estrella continúa su caótico baile electromagnético fundido y subsuperficial. A medida que se desarrollan nuevos puntos calientes magnéticos, las líneas de flujo se moverán suavemente hacia nuevas trayectorias. (Suavemente no necesariamente significa lentamente.) Cuando la inercia de las partículas en el chorro se vuelve mayor que las fuerzas ejercidas por líneas de flujo que cambian rápidamente, las partículas son cada vez más afectadas por otras fuerzas; por ejemplo, la gravedad, el viento solar, la propia inercia de las partículas... El punto es que las líneas de fuerza en movimiento podrían cambiar lo suficientemente rápido como para que de repente carezcan de las fuerzas necesarias para contener a sus partículas cromosféricas anteriormente cautivas y altamente energizadas.

En nuestro pequeño experimento, es probable que las limaduras cayeran directamente sobre una mesa y causaran un pequeño desorden. Considera qué sucedería si tuvieras un ventilador soplando sobre tu configuración.

Reflexiona sobre los vectores y energías de partículas de plasma liberadas repentinamente que hasta hace un momento estaban circulando a velocidades tremendas en un arco que se extiende a 10,000 km por encima de la superficie de nuestra estrella. La tormenta de fuerzas en juego podría causar bastante desorden en tu sala de estar. -- D. R. McClellan