¿Cómo protege el campo magnético de la Tierra del viento solar?

Varias fuentes (ver preguntas vinculadas al final) dicen que el campo magnético de la tierra nos protege del viento solar. El consenso general es que sin el campo magnético de la tierra, la atmósfera sería despojada y la vida no sería posible.

Según tengo entendido, el viento solar está bastante equilibrado entre partículas con carga eléctrica positiva y negativa.

¿No significaría esto que todas las partículas positivas serían atraídas y absorbidas por uno de los polos de la tierra, y las partículas negativas serían absorbidas por el otro polo? Dando el efecto de que el campo magnético de la tierra no nos protege del viento solar en absoluto, ¿solo lo concentra en los polos? Si simplemente se concentra en los polos, todavía recibimos la misma cantidad de partículas en general que si la tierra no tuviera un campo magnético, entonces, ¿por qué no se despoja a la atmósfera? ¿Se trata de la dirección de viaje de las partículas?

Sé que el párrafo anterior probablemente contiene malentendidos ya que la evidencia de que todavía estamos aquí no se alinea con la suposición. Solo tengo una comprensión básica del magnetismo y la carga eléctrica, por lo que una buena respuesta explicaría cómo y por qué me equivoco en términos sencillos. Creo que mi malentendido puede tener algo que ver con la diferencia entre campos magnéticos y eléctricos.

Creo que la pregunta principal que me gustaría responder, más específicamente, es: ¿Qué le hace exactamente el campo magnético a las partículas para que dejen de despojarse de la atmósfera?

El campo magnético de la Tierra nos protege... ¿de qué amenaza?

¿Una barra magnética a través de Marte lo protegería del viento solar?

@infinitezero Estudié eso en física de nivel A, pero eso fue hace unos 9 años. Mi entendimiento es que una partícula cargada que se mueve en un campo magnético experimentará una fuerza en la dirección opuesta a su movimiento. Si eso es cierto, ¿no deberían disminuir las partículas en el viento solar pero luego caer a la tierra en los polos? Si se están desacelerando, ¿a dónde va su energía?
El campo magnético de la tierra crystalinks.com/earthsmagneticfield.html . No hay cargas magnéticas. Las partículas cargadas descienden en espiral hacia los polos, en el camino pierden su energía golpeando las moléculas de la atmósfera, y la mayoría termina como parte de la atmósfera en los polos norte y sur. Muchos con energía lo suficientemente alta, particularmente los muones, aún alcanzan el nivel del mar porque el campo magnético de la tierra no es lo suficientemente fuerte. cosmic.lbl.gov/SKliewer/Cosmic_Rays/Muons.htm
Mire un electrón cayendo en espiral en el campo magnético de una cámara de burbujas (mf perpendicular a la imagen) hst-archive.web.cern.ch/archiv/HST2005/bubble_chambers/… La hipótesis es que la atmósfera en lo alto no es golpeada directamente para que disminuya, aunque esto es un modelo. Hay preguntas, consulte space.com/11187-earth-magnetic-field-solar-wind.html
@annav ¿Eso significa que la suposición que hice en la pregunta es correcta? ¿Que el campo magnético terrestre no nos protege en absoluto del viento solar, sino que lo concentra en los polos? Si simplemente se concentra en los polos, todavía recibimos la misma cantidad de partículas que si no hubiera ningún campo magnético, entonces, ¿por qué no se despoja la atmósfera? ¿Se debe a que la dirección del viaje de las partículas es diferente?
Poco a poco pierden energía. El campo magnético se extiende mucho más allá de la atmósfera. Las partículas que llegan a los polos aún tienen la energía suficiente para excitar el nitrógeno y el oxígeno (la consecuencia es la aurora), pero no para destruir la atmósfera. "Como" una piedra que en lugar de caer se ve obligada a girar en espiral antes de impactar contra el suelo.
@Alchimista Si las partículas pierden energía, ¿a dónde va esa energía?
@Karl La energía va a las moléculas atmosféricas, las partículas golpean y reducen la velocidad de su espiral. En el momento en que llegan a los polos, también se está iluminando, como dice el otro comentario, las auroras. la luz también es energía. En el modelo, las partículas que se alejan de los polos quedan atrapadas alrededor de las líneas del campo magnético, así es como nos protege el campo magnético. Como dije antes, es el modelo dominante. Con más datos provenientes de los planetas, podría haber un cambio en el modelo, como parece decir el enlace que di.
Esencialmente, @Alchimista dice que las partículas no destruyen la atmósfera porque han perdido energía, Annav dice que han perdido esa energía al golpear moléculas en la atmósfera. Eso no parece tener sentido. Si pierden energía al chocar con las moléculas atmosféricas, ¿por qué no se despoja la atmósfera?
@Karl estamos diciendo lo mismo. Si vio que el electrón pierde energía en la cámara de burbujas alrededor de la línea del campo magnético, comprendería que pierde energía cada vez más pequeña por ionización, por lo que las moléculas no obtienen lo suficiente como para ser despojadas de la atmósfera.
@Karl primero en la desviación. Como si hubiera una fuerza adicional, fricción o un viento hacia arriba, sobre un objeto que cae. Como analogía, este último impactará en algún lugar pero formará un cráter más pequeño, si lo hay.

Respuestas (2)

No tiene nada que ver con la presión en el sentido termodinámico ni con las partículas virtuales. Hay un campo magnético intrínseco generado de alguna manera en el núcleo de la Tierra (la discusión sobre la dínamo podría llenar volúmenes) y ese campo interactúa con el campo magnético y las partículas cargadas del viento solar . Dado que el viento solar es supersónico , se genera un arco de choque . Esto desacelera y desvía el viento solar alrededor de la magnetosfera , que se separa de la Tierra. Sin esto, el campo eléctrico convectivo del viento solar (es decir, básicamente un mi s w = − V s w × B s w debido al movimiento de partículas cargadas que transportan un campo magnético más allá de la Tierra) arrastraría muy rápidamente la atmósfera superior ionizada fuera de la Tierra.

Dando el efecto de que el campo magnético de la tierra no nos protege del viento solar en absoluto, ¿solo lo concentra en los polos?

Esto está mal, protege la atmósfera de la Tierra del viento solar, como dije anteriormente. La velocidad de deriva inducida por el campo eléctrico convectivo del viento solar en las partículas recién ionizadas (llamadas iones captadores) se denomina deriva ExB, y su velocidad oscila entre decenas de km/s y centenas de km/s. La velocidad de escape de la Tierra en la superficie es de solo ~11,2 km/s. Por lo tanto, si la atmósfera superior ionizada se expusiera repentinamente a mi s w , los iones y electrones se acelerarían inmediatamente hasta 10s a 100s de km/s, escapando fácilmente del campo gravitatorio de la Tierra.

El núcleo de la Tierra está demasiado caliente para generar un campo magnético. Es el efecto dínamo del campo eléctrico de la Tierra lo que crea el campo magnético de la Tierra. El polo norte geomagnético de la Tierra es un polo sur magnético.
No estoy seguro de dónde está obteniendo esta información, pero es incorrecta. Los líquidos y gases a alta temperatura son perfectamente capaces de transportar corrientes que generan campos magnéticos. El sol tiene campos magnéticos hasta el núcleo y el núcleo del sol es significativamente más alto que el núcleo de la Tierra. Sí, soy consciente de que el norte magnético está cerca del polo sur geográfico, aunque no veo por qué eso es relevante.

Es la capa de ozono, la que necesita ser protegida, para que pueda protegernos contra la radiación UV (fotones).

Es muy importante entender que el viento solar está compuesto por:

  1. electrones

  2. protones

  3. partículas alfa

El viento solar es una corriente de partículas cargadas liberadas desde la atmósfera superior del Sol, llamada corona. Este plasma se compone principalmente de electrones, protones y partículas alfa con energía cinética entre 0,5 y 10 keV.

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_wind

Ahora el campo magnético de la Tierra, que es producido por el núcleo de hierro exterior líquido (corrientes eléctricas) de la Tierra, se extiende al espacio más allá de la ionosfera.

https://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_magnetic_field

La magnetosfera es la región por encima de la ionosfera que se define por la extensión del campo magnético de la Tierra en el espacio. Se extiende varias decenas de miles de kilómetros en el espacio, protegiendo a la Tierra de las partículas cargadas del viento solar y los rayos cósmicos que, de lo contrario, eliminarían la atmósfera superior, incluida la capa de ozono que protege a la Tierra de la dañina radiación ultravioleta.

Ahora, la razón por la que necesitamos la magnetosfera es porque protege la ionosfera. ¿Por qué? Porque la ionosfera incluye la mezosfera.

La ionosfera ( / aɪˈɒnəˌsfɪər / 1 [2] ) es la parte ionizada de la atmósfera superior de la Tierra , desde aproximadamente 60 km (37 mi) hasta 1000 km (620 mi) de altitud, una región que incluye la termosfera y partes de la mesosfera y exosfera .

https://en.wikipedia.org/wiki/Ionosfera

ingrese la descripción de la imagen aquí

Ahora, ¿por qué necesitamos la mezosfera? Porque protege la estratosfera, eso incluye la capa de ozono.

La troposfera, la parte más baja de la atmósfera terrestre, se extiende desde la superficie hasta unos 10 km (6,2 millas). Por encima de eso está la estratosfera, seguida por la mesosfera. En la estratosfera, la radiación solar entrante crea la capa de ozono.

Ahora bien, si toda la radiación (partículas cargadas) se desviara, entonces no tendríamos una capa de ozono y no estaríamos protegidos de la radiación ultravioleta.

Los rayos ultravioleta (UV), los rayos X y las longitudes de onda más cortas de la radiación solar son ionizantes, ya que los fotones en estas frecuencias contienen suficiente energía para desalojar un electrón de un átomo o molécula de gas neutral al absorberse. En este proceso el electrón de la luz adquiere una gran velocidad de forma que la temperatura del gas electrónico creado es muy superior (del orden de los mil K) a la de los iones y neutros. El proceso inverso a la ionización es la recombinación, en la que un electrón libre es "capturado" por un ion positivo. La recombinación ocurre espontáneamente y provoca la emisión de un fotón que se lleva la energía producida por la recombinación. A medida que aumenta la densidad del gas a altitudes más bajas, prevalece el proceso de recombinación, ya que las moléculas de gas y los iones están más juntos.

Es muy importante comprender que el viento solar podría eliminar la capa de ozono.

Pero su pregunta es sobre la eliminación de la atmósfera y por qué el viento solar no hace eso. Ahora el viento solar ejerce una presión. Si esta presión llegara a la atmósfera, la despojaría.

Ahora la magnetosfera también tiene una presión y contrarresta la presión del viento solar.

El campo magnético de la Tierra, predominantemente dipolar en su superficie, se distorsiona aún más por el viento solar. Esta es una corriente de partículas cargadas que salen de la corona del Sol y aceleran a una velocidad de 200 a 1000 kilómetros por segundo. Llevan consigo un campo magnético, el campo magnético interplanetario (FMI).[24] El viento solar ejerce una presión, y si pudiera alcanzar la atmósfera terrestre, la erosionaría. Sin embargo, se mantiene alejado por la presión del campo magnético de la Tierra. La magnetopausa, el área donde se equilibran las presiones, es el límite de la magnetosfera. A pesar de su nombre, la magnetosfera es asimétrica, con el lado hacia el sol a unos 10 radios de la Tierra, pero el otro lado se extiende en una cola magnética que se extiende más allá de los 200 radios de la Tierra.[25] Hacia el sol de la magnetopausa está el arco de choque,

Entonces la respuesta a tu pregunta es:

  1. Así que, básicamente, las partículas cargadas están formando el viento solar, pero la presión del viento solar es lo importante, y que la magnetosfera lo equilibre para que la atmósfera no se despoje.

  2. Es la capa de ozono la que hay que proteger, para protegernos de la radiación UV.

Algunas de las partículas cargadas entran en la magnetosfera. Estos giran en espiral alrededor de las líneas de campo, rebotando de un lado a otro entre los polos varias veces por segundo. Además, los iones positivos se desplazan lentamente hacia el oeste y los iones negativos hacia el este, lo que da lugar a una corriente anular.

La respuesta a su pregunta es que la mayoría de las partículas cargadas se desvían.

Después del comentario, la pregunta es más sobre la explicación del nivel QM de cómo la presión de la magnetosfera desvía los electrones, protones y partículas alfa del viento solar.

Ahora la magnetosfera tiene energía, ya medida que las partículas del viento solar alcanzan la magnetosfera, el campo magnético de la Tierra comienza a interactuar con las partículas del viento solar. Esta interacción está mediada por fotones virtuales.

Los fotones virtuales no son fotones reales, están fuera de la capa de masa, sin embargo, son una forma matemática de describir la interacción entre el campo y las partículas del viento solar.

Ahora, a medida que las partículas del viento solar interactúan con el campo magnético de la Tierra, la energía del campo magnético se transfiere a las partículas del viento solar como energía cinética e impulso, a través de fotones virtuales, por lo tanto, la trayectoria de las partículas del viento solar, el impulso cambia para que se alejen. desde la Tierra.

Esta respuesta habla mucho sobre por qué el campo magnético es importante para protegernos, pero mi pregunta era más "cómo" nos protege. Existe cierta discusión de que el campo magnético ralentiza el viento solar y las partículas se desvían, pero creo que queda claro a partir de la pregunta que ya sé, no hay muchos detalles sobre cómo se desvían las partículas específicamente.
@Karl es la presión, mi respuesta establece que la presión de la magnetosfera es lo que desvía las partículas cargadas. Dado que la radiación está formada por partículas de carga EM, la presión de la magnetosfera las desvía antes de que puedan llegar a la ionosfera. ¿Está preguntando cómo las partículas cargadas de radiación en el nivel QM son desviadas por el campo EM de la magnetosfera? Sucede a través de partículas virtuales. La radiación del viento solar incluye electrones, protones y partículas alfa.
@Karl Cuando estas partículas cargadas alcanzan la magnetosfera, el campo magnético de la Tierra interactúa con ellas a través de partículas virtuales (fotones virtuales). La interacción altera la trayectoria de las partículas cargadas de la radiación, porque la energía EM del campo magnético se transfiere a estas partículas cargadas del viento solar como energía cinética en dirección opuesta a la Tierra. A medida que los electrones, protones y partículas alfa comienzan a interactuar con el campo magnético de la Tierra, obtienen energía cinética e impulso del campo magnético a través de fotones virtuales.
@Karl Por lo tanto, la trayectoria de estas partículas se altera, alejándose de la Tierra.
@Karl Edité mi respuesta.
¿Cómo protege el campo magnético de la Tierra del viento solar?
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