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

Tengo entendido que las líneas de campo son solo 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 nosotros (los humanos) inventamos, no son objetos físicos.

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

Esta es una consecuencia desafortunada de las simulaciones y, en parte, se debe a las descripciones de los comunicados de prensa. En el proceso de reconexión magnética , la topología del campo magnético sí cambia, pero los campos son una construcción continua. Lo que sucede es que el flujo magnético se convierte 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 las partículas. Debido a que los campos magnéticos experimentan algo parecido a la tensión como en un cable, cuando se doblan experimentan un efecto similar a una fuerza que actúa para enderezarlas 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 ellos mismos en ausencia de otras fuerzas.

Incluso tengo problemas para enmarcar esta pregunta porque el concepto de ruptura de una línea de campo simplemente no tiene sentido para mí. ¿Qué sucede cuando un campo magnético se "rompe"?

Su confusión está justificada, como dije anteriormente. Las líneas de campo no se rompen , rompen ni se mueven a pesar del lenguaje que se usa a menudo para describir estos fenómenos. Es una elección desafortunada que uno elija describir algo que sabe que no es físicamente cierto porque a veces es más fácil que describir algo real. A veces hay quienes en realidad 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 trate de pensar en las cosas de la siguiente manera. El plasma involucrado en la reconexión fluye hacia adentro, hacia la región de interés. Ignoraremos las regiones cercanas a 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 las derivas relativas entre partículas con carga opuesta. El campo magnético y el plasma están acoplados entre sí en plasmas altamente conductivos a través de lo que se denomina condición congelada (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 uno hacia el otro y los campos magnéticos de cada región tienen al menos alguna proyección antiparalela entre sí, entonces el plasma puede generar una lámina de corriente delgada. Si la hoja de corriente se vuelve lo suficientemente delgada y fuerte, puede volverse inestable a cosas como las inestabilidades de desgarro y filamentación (es decir, una hoja de corriente se rompe en hilos finos 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 vago intencionalmente 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 Misión Multiescala Magnetosférica que ha ayudado a aclarar que la reconexión no es un concepto fluido, como se presenta a menudo en las discusiones MHD sobre el tema, sino uno cinético con una separación de escalas entre electrones e iones. .

Considere el siguiente imán de barra, con las líneas de campo no físicas dibujadas a su alrededor. El campo vectorial magnético real 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 barras magnéticas equivalentes y las líneas de campo asociadas (en la que para cada línea de campo solo se muestra una dirección del vector de campo magnético mediante un triángulo muy pequeño):

Las líneas de campo son siempre 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 extremo derecho dirigidas lejos de los imanes (lo que los hace cerrados, aunque eso es difícil de visualizar).
Ahora, cuando separamos los imanes uno del otro (para formar dos imanes de barra separados), las líneas de campo entre los imanes (que en realidad no están separadas, pero no puedes dibujar una infinidad de líneas de campo) también se alejan entre sí. , como las líneas a la izquierda y a la derecha de la disposición del imán de barra doble. Las líneas de campo en el extremo izquierdo se doblan hacia arriba (formando líneas cerradas con las derechas dobladas hacia arriba, lo que hace visible su Naturaleza cerrada, como si las líneas individuales que ya se doblan hacia adentro estuvieran cerradas) para conectarse con las líneas de campo a la izquierda de las líneas de campo en el medio (referido a una línea vertical en el medio de los dos imanes). Entonces, estas líneas en el medio parecen "romperse", al igual que las líneas cerradas que emergen de la izquierda y entran por la derecha, después de lo cual se vuelven a conectar para formar dos bucles cerrados en cada imán. El proceso inverso,

Debido a que separamos 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 estuvieran hechos de uno solo cortándolo en dos). Puedes imaginarte separándolos uno del otro, y "¡chasquido!", emergerán dos imanes con mayor energía (en realidad, la energía aumenta en infinitos chasquidos de manera continua, pero separarlos muy rápido se sentirá como un solo chasquido).
Los campos magnéticos alrededor de los imanes de barra son producidos por los giros de los electrones desapareados en la capa exterior de los átomos. Cada espín produce un campo magnético diminuto y en los ferroimanes (que son los que consideramos aquí), si la temperatura no es demasiado alta, todos estos campos diminutos se alinean permanentemente, lo que minimiza la energía interna del ferromagneto.

Ahora bien, este tipo de procesos (de formas muy distorsionadas y en escalas mucho mayores) también tienen lugar en la superficie del Sol, pero los campos vectoriales magnéticos (cerrados) son producidos por enormes corrientes de plasma y las líneas del campo magnético son líneas cerradas alrededor estas corrientes de plasma. Estas corrientes de plasma cambian constantemente y, por lo tanto, las líneas del campo magnético. 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 cerrado emergen de una línea de campo cerrado (por ejemplo, cuando una corriente de plasma se divide en dos o más), el campo eléctrico inducido aumenta repentinamente y este aumento repentino del campo eléctrico inducido genera una explosión de protones de alta energía. , electrones y helio (partícula alfa).
Entonces, al igual que en el caso de dos imanes que se separan muy rápido, aumentando así la energía del campo magnético en un santiamén, el aumento repentino de la energía del campo magnético se convierte en un estallido de radiación cósmica, que reduce la energía contenida en el campo magnético. campos alrededor de las dos (o más) corrientes de plasma emergentes (por lo que las corrientes de plasma se reducen en intensidad como reacción). La diferencia con el caso de los dos imanes es que el aumento de energía en el campo magnético de los dos imanes permanece (aproximadamente) igual, sin impartir el aumento de energía a otras cosas.

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

Tienes razón: las líneas de campo magnético no pueden partirse o romperse porque no son objetos físicos. Son más análogas a las líneas de elevación en un mapa topográfico, o más precisamente a las líneas perpendiculares a las líneas de elevación: a las líneas de caída en una pista de esquí. Sin embargo, describen algo físico, que es la distribución del campo magnético. Cuando las fuentes del campo magnético se reorganizan, las "líneas de campo magnético" pueden cambiar de forma discontinua, y es el cambio discontinuo lo que se denomina "chasquido" o "ruptura".

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

Esto es lo que observé.

Observé que la cadena dipolar forma un conjunto de puntos nulos en el campo a ambos lados 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". Lo que realmente sucede es que las líneas de campo se reforman, cambiando de las líneas de campo que rodean la barra magnética combinada a las líneas de campo que rodean las dos barras magnéticas separadas.

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

A medida que el material que se mueve a lo largo de una línea de campo encuentra un punto nulo, quedará libre del campo y, si el campo circundante es demasiado débil para recuperarlo, este material escapará al espacio.

Haz este experimento. (Prepárese para un poco de limpieza).

Coloque una pequeña barra magnética debajo de un trozo de papel rígido. Espolvorear limaduras de hierro por encima. Esas "herramientas de visualización" "imaginarias" se vuelven bastante evidentes. Ahora, voltea el papel y el imán para que las limaduras de hierro queden debajo del papel. Ahora, aleje el imán del papel y observe 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 "salgan volando" del papel.

Ahora, visualice un horno nuclear convectivo, arremolinado e infestado de gravedad, que induce sus propios remolinos eléctricos y poderosos campos magnéticos. En aras de la simplicidad, vamos a referirnos a ella como una estrella. A medida que se producen corrientes convectivas físicas, se desarrollan campos magnéticos localizados y se manifiestan como manchas solares, erupciones, etc.

Visualice también que nuestras limaduras de hierro son ahora chorros de plasma que fluyen sujetos a muchas fuerzas diferentes pero que siguen caminos continuos a medida que nuestra estrella continúa su danza electromagnética fundida, subsuperficial, caótica. A medida que se desarrollen nuevos puntos calientes magnéticos, las líneas de flujo se moverán suavemente hacia nuevos caminos. (Suavemente no necesariamente significa lentamente). Cuando la inercia de las partículas en la corriente se vuelve mayor que las fuerzas ejercidas por las líneas de flujo que cambian rápidamente, las partículas se ven 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 pueden cambiar lo suficientemente rápido como para que de repente carezcan de las fuerzas necesarias para restringir sus partículas cromosféricas altamente energizadas y previamente cautivas.

En nuestro pequeño experimento, las limaduras probablemente cayeron directamente sobre una mesa y causaron un pequeño desorden. Considere lo que sucedería si tuviera un ventilador soplando en su configuración.

Reflexione sobre los vectores y las energías de las partículas de plasma liberadas repentinamente que, hasta hace un momento, habían estado circulando a tremendas velocidades en un arco que se extendía 10 000 km sobre la superficie de nuestra estrella. La tormenta de fuerzas en juego puede causar un gran lío en tu sala de estar. -- DR McClellan