Francisco J. Gordillo Vázquez
1.
¿Qué son los plasmas?
La palabra plasma apareció impresa por primera vez en un artículo de Irving Langmuir titulado Oscilaciones en gases ionizados publicado en 1928 en las actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos. Este trabajo de Langmuir puede considerarse como la formalización en el siglo XX de los estudios comenzados en el siglo XVIII por precursores del estudio de la materia radiante tales como Lichtenberg en Alemania y, ya en el siglo XIX, por Michael Faraday, William Crookes y J. J. Thomson en el Reino Unido, así como Werner von Siemens en Alemania.
La energía necesaria para generar un plasma puede suministrarse de varias maneras: mediante el calor originado en, por ejemplo, un proceso de combustión, mediante la interacción entre radiación láser y un sólido, líquido o gas, o mediante descargas eléctricas en gases, en las que los electrones libres toman energía del campo eléctrico aplicado y la pierden en procesos de excitación e ionización de los átomos y moléculas del gas.
2. ¿Qué tipos existen?
Una primera clasificación de los tipos de plasma se realiza en función de su equilibrio térmico, esto es, dependiendo de si la temperatura o energía media de las partículas que lo forman es o no la misma para cada tipo de partícula. Así, los plasmas térmicos o calientes son aquellos en los que la temperatura de los electrones y especies pesadas (átomos, iones, moléculas) es la misma. Por ejemplo, son plasmas térmicos los del interior de las estrellas, los plasmas producidos en el núcleo (alejado de las paredes) de los dispositivos de fusión termonuclear, así como los plasmas de arco (usados en el siglo XIX como alumbrado) o el plasma formado en el canal de un rayo (donde la temperatura de los neutros alcanza los treinta mil grados, similar a la de los electrones).
Por otra parte, los plasmas no térmicos o fríos se caracterizan por el hecho de que las energías de los electrones libres y la de las especies pesadas es muy distinta, por los que los plasmas fríos dan lugar a procesos de no equilibrio de gran interés fundamental y aplicado. En general, en los plasmas no térmicos la temperatura de las especies pesadas permanece siempre cercana a la ambiente (entre veinticinco y cien grados centígrados) mientras que la de los electrones puede oscilar entre los cinco mil y los cien mil grados centígrados. Los nuevos dispositivos mencionados al comienzo del artículo para reemplazar a las bujías se basan en descargas tipo corona (imagen derecha), un tipo de plasma no térmico, generadas mediante el uso de pulsos de una duración que puede oscilar entre los micro y los nanosegundos. De esta forma, la energía es inyectada en el combustible mediante electrones muy energéticos que transfieren su energía de forma muy eficiente a través de colisiones inelásticas (excitación, disociación, ionización, etc), evitándose la pérdida de energía en forma de calor (el combustible permanece a temperatura cercana a la ambiente).
3. ¿Dónde están?
Los plasmas son ubicuos en el universo visible conocido, pero no así en la superficie de nuestro planeta, donde las condiciones de presión y temperatura hacen que nos parezcan comunes los estados de la materia (sólido, liquido y gas) que en términos globales son exóticos. Nuestra estrella más cercana, el Sol, emite un tenue viento ionizado (el llamado viento solar) formado por protones y electrones que conforman la atmósfera de plasma espacial que envuelve a los planetas del Sistema Solar, especialmente a los cuatro más cercanos al Sol.
Imagen de una aurora polar vista desde el espacio. Fuente: NASA.
La meteorología espacial o space weather trata del estudio de la interacción del viento solar con la Tierra y su espacio circundante. Muchas de las comodidades de las que disfrutamos hoy en día necesitan de la meteorología espacial, que a su vez depende de investigaciones básicas acerca de las propiedades del Sol, la atmósfera de plasma que envuelve la Tierra y su interacción con la magnetosfera.
Los plasmas magnetosféricos se deben a la interacción del viento solar con la magnetosfera terrestre, por cuyos agujeros magnéticos polares penetra y forma las auroras polares y australes en la ionosfera terrestre.
Las ionosferas planetarias son también ejemplos de plasmas naturales. En algunos planetas como la Tierra, Júpiter, Saturno, quizás Venus, Neptuno y Urano se producen rayos (otro tipo de plasma), así como descargas eléctricas mesosféricas (hasta ahora solo detectadas en la Tierra) asociadas con los rayos de las capas atmosféricas más bajas.
4. Aplicaciones
5. Plasmas en el IAA
El grupo de plasmas transitorios en atmósferas planetarias (TRAPPA) del IAA viene estudiando, desde sus comienzos a finales de 2008, las descargas eléctricas (también llamadas fenómenos luminosos transitorios o TLEs) que, descubiertas en 1989, tienen lugar entre la baja estratosfera y la alta mesosfera de nuestro planeta debido a la intensa actividad eléctrica en la troposfera. Recientemente también hemos comenzado el estudio de la actividad eléctrica en atmósferas extraterrestres, en particular en Júpiter y Saturno.
No quisiera terminar este breve artículo sin mencionar que nuestro grupo forma parte del equipo científico de las misiones ASIM (Atmospheric Space Interaction Monitor) y TARANIS (Tool for the Analysis of RAdiation from LightNing and Sprites) de la ESA y del CNES, respectivamente. Estas misiones se lanzarán a finales de 2015 o principios de 2016 y su objetivo exclusivo es el estudio de los TLEs y los rayos gammas terrestres (TGFs) desde el espacio. El instrumento GRASSP de nuestro grupo ha sido diseñado y construido para dar apoyo de tierra tanto a ASIM como a TARANIS.
Primera imagen de un TLE captada por María Passas del grupo TRAPPA con el instrumento GRASSP desde el Observatorio de Calar Alto.
www.trappa.es
