EL PLASMA VISTO DE CERCA

HEMOSvisto ya a grandes rasgos que un plasma es cualquier sustancia con un grado de ionizacin suficiente como para que sea sensible a la presencia de fuerzas elctricas y magnticas. Hemos mencionado tambin su gran abundancia en el Universo y tambin hemos hablado un poco de lo que implica el que la materia del Universo est casi toda en forma de plasma. Ms adelante veremos el papel fundamental que desempean los plasmas en nuestro Sistema Solar; en las teoras cosmolgicas y en las tecnologas del futuro, que pretenden lograr la fusin controlada, los generadores de haces de lser y otros ambiciosos proyectos. Ahora, confiando en que el lector ya est convencido de lo importante que es entender el comportamiento del plasma, vamos a describir en trminos generales este comportamiento. Pero antes, un poco de informacin histrica.EL DESCUBRIMIENTO DEL ESTADO DE PLASMAEl concepto moderno del plasma es de origen reciente y se remonta apenas al inicio de la dcada de los cincuenta. Sin embargo, desde hace ms de tres siglos los cientficos, 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) tena la propiedad de inducir la electricidad. En 1698 un cientfico ingls que estudiaba la electrificacin del mbar frotndolo con asiduidad provoc la primera chispa de que se tiene noticia, una pequea descarga elctrica en el aire. Semejante descarga slo es posible cuando se crea una cantidad suficiente de cargas elctricas, iones y electrones libres en el aire como para que ste se convierta en un gas conductor de la electricidad: un plasma. Casi cincuenta aos despus se produjeron descargas elctricas ms intensas con ayuda de la botella de Leyden; a comienzos del sigloXIXse descubri la descarga de arco y desde la dcada de 1830 el cientfico ingls Michael Faraday ya experimentaba sistemticamente con descargas. Pero no fue sino hasta 1879 que se reconoci al estado de plasma como un estado particular de la materia, distinto de los dems. El fsico ingls William Crookes, al experimentar con descargas elctricas en gases, se dio cuenta de que el gas en donde se estableca la descarga se comportaba sustancialmente diferente que un gas regular y sugiri la existencia de un nuevo estado al cual llamel cuarto estado de la materia.En 1923, el qumico estadunidense Irving Langmuir empez a investigar concienzudamente las descargas elctricas en los gases, cuando ya se saba que stas ionizaban a los tomos del gas; en 1929 us por primera vez el trmino plasma en el informe de un trabajo que realizaba con otro cientfico estadunidense, Levy Tonks, para describir la nube rojiza de electrones que vea oscilar en el interior del gas durante la descarga. Esta nube de electrones brillaba y se mova como una sustancia gelatinosa que record a Langmuir el plasma de la sangre. Fue Langmuir tambin el primero en notar la separacin de plasmas de diferentes densidades, temperaturas o intensidades magnticas en regiones semejantes a las clulas, separadas por corrientes elctricas.En 1936, el fsico sovitico Lev Landau, uno de los ms grandes cientficos del sigloXXdesarroll la teora estadstica que describe el plasma y en 1942, el extraordinario cientfico sueco Hannes Alfvn (ganador del premio Nobel de fsica en 1970) desarroll las ecuaciones que describen el movimiento de un fluido elctrico en presencia de campos magnticos. Tiempo despus, el mismo Landau describi matemticamente la interaccin entre las partculas 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 fsica de plasmas moderna naci con estos trabajos. Sin embargo, no fue sino hasta 1952 cuando otros dos fsicos 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 apreci totalmente.Durante los ltimos 40 aos la fsica de plasmas ha recibido un enorme impulso desde muchos frentes y, sin embargo, todava hay en ella muchos problemas sin resolver. Como los plasmas reaccionan fuertemente a las fuerzas electromagnticas, su comportamiento presenta una complejidad que excede por mucho a la del comportamiento exhibido por la materia en los estados slido, lquido o gaseoso; as, el estudio de los plasmas constituye una de las reas de mayor dificultad en la fsica de hoy.MOVIMIENTOS COLECTIVOSUna de las principales caractersticas 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 concedi el ttulo de lord. Los movimientos colectivos del plasma son consecuencia del gran alcance de las fuerzas electrostticas que sienten entre s las partculas cargadas que lo componen. A la fuerza entre dos partculas cargadas se le conoce como fuerza de Coulomb, porque fue el fsico francs Charles Augustin Coulomb quien en 1785 midi por primera vez la fuerza entre cargas elctricas a diferentes distancias. Segn la relacin encontrada por Coulomb:Fe= q1q2/ r2,lo que indica que la fuerza Fedepende de la magnitud de las cargas (q1y q2) de las partculas que interactan y del cuadrado de la distancia (r) que las separa. Esta fuerza se incrementa al aumentar la carga de cualquiera de las partculas 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 elctrica sentir la presencia de otra a distancias muy grandes.De la experimentacin con cuerpos cargados elctricamente 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 elctricas es muy semejante a la fuerza gravitacional entre dos cuerpos masivos, pero en este ltimo caso la fuerza entre dos masas siempre es de atraccin, mientras que entre cargas la fuerza puede ser de atraccin o de repulsin, dependiendo del signo de la carga.

Figura 4. Fuerza de atraccin (a) y de repulsin (b) entre cuerpos cargados elctricamente. Las cargas iguales se repelen; las cargas opuestas se atraen.Por otro lado, las fuerzas elctricas entre partculas son mucho mayores que sus fuerzas gravitacionales. Por ejemplo, entre un protn y un electrn a una distancia cualquiera, la fuerza de atraccin elctrica es 1039veces mayor que la fuerza de atraccin gravitacional. El nmero 1039es un 1 seguido de 39 ceros, un nmero muy grande en realidad! De esta manera, las fuerzas dominantes en el interior del plasma son las elctricas, las cuales, como ya dijimos, son de muy largo alcance. En el interior de un gas compuesto por tomos o molculas neutras, las interacciones entre sus componentes slo se darn a distancias comparables a las dimensiones geomtricas de los mismos. Pero en el interior de un plasma las partculas interactan a distancias mucho mayores y de esta manera, aun los plasmas de muy baja densidad funcionan de manera cohesiva. Cada ion y cada electrn en el interior de un plasma puede sentir la influencia de muchas partculas a su alrededor, de manera que el comportamiento del plasma estar determinado por interacciones colectivas y no solamente por la interaccin entre dos partculas individuales.CUASINEUTRALIDAD DEL PLASMAPuesto que en el plasma existe muy poca restriccin al movimiento de las cargas, tiende a mantener un estado de neutralidad elctrica aun en regiones muy pequeas. Cualquier acumulacin de carga de un solo signo en cierta regin del plasma producir una fuerza atractiva para las cargas opuestas lo suficientemente grande como para recuperar el equilibrio de la carga elctrica casi instantneamente. De esta manera, si el plasma no es forzado por campos elctricos o magnticos muy intensos a mantener acumulaciones locales de carga, permanecer en un estado decuasineutralidad,esto es, un estado en el que la concentracin de cargas positivas ser prcticamente igual a la concentracin de cargas negativas, aun en pequeas regiones del espacio.Los movimientos colectivos y la cuasineutralidad son fundamentales para el estado de plasma, al grado que suele definirse al plasma comoun sistema cuasineutro constituido por un gran nmero de partculas cargadas que exhiben movimientos colectivos.LA DISTANCIA DE DEBYEAunque el alcance de la fuerza elctrica entre dos cargas en el espacio vaco es infinito, en el interior del plasma ste se reduce debido a la presencia de las dems 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 ser atrada hacia ese ion. Estos electrones formarn alrededor del ion una coraza de carga contraria que impedir que la carga de este ion sea sentida por cargas ms lejanas. Lo mismo ocurrir con los electrones y de esta manera se genera un efecto deapantallamiento, que limita el alcance real de la atraccin o repulsin de cada carga hacia sus vecinas. Esta distancia, que podramos definir como el radio de la esfera real de influencia de cada carga dentro del plasma se conoce como ladistancia de Debyeo lalongitud de Debye.Debe su nombre al fsico holands Peter Debye, quien fue el primero en reconocer este efecto para aplicar el movimiento de los iones en la solucin de un electrolito. Esta distancia est dada por:D= [ ( kt ) / ( 4ne2)]1/2donde k es una constante (k=1.38 x 10-23Joules/K), llamada la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta del plasma en grados Kelvin), n es el nmero de cargas (positivas o negativas) por metro cbico y e (= 1.6 x 10-19Coulombs) es la carga del electrn. Esto puede ponerse tambin as:D = 69 x (T/n)m.De esta manera, la distancia de Debye crece al aumentar la temperatura (pues en los gases ms calientes las partculas se mueven ms rpidamente 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 tomos o molculas neutras. Los plasmas fros slo pueden mantenerse a muy baja densidad, como los interestelares e intergalcticos, ya que en ese caso tampoco es muy probable que haya recombinaciones. Aunque no se ha demostrado que esta relacin 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 partcula.Como cada partcula 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 ionizadono ser un plasma.Es fcil ver que en este caso tampoco podr obtenerse la condicin 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 centmetro cbico. 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 cm, tendramos un vaco prcticamente perfecto del cual no podramos obtener ninguna respuesta. sta representa una de las dificultades para experimentar con plasmas pues no son escalables, y en general los prototipos de laboratorio no se comportarn como los enormes sistemas naturales.OSCILACIONES DEL PLASMAUno de los movimientos colectivos ms rpidos e importantes dentro de un plasma es la oscilacin de los electrones respecto a los iones. Estas oscilaciones se producen cuando se viola la cuasineutralidad del plasma y las fuerzas electrostticas entran en accin como una fuerza restauradora. Como los iones son muchsimo ms masivos que los electrones (los iones ms ligeros, los protones son casi dos mil veces ms masivos que los electrones) casi no se van a mover y la oscilacin ms notable es la de los electrones. La frecuencia de esta oscilacin est dada por:v = (ne2/me),donde mees la masa del electrn (me= 9.1 x 10-31kg). Entonces,v = 8.97 x 106nHertzy, como puede verse, solamente depende de la densidad de electrones.Estas oscilaciones son tan caractersticas que se les conoce como oscilaciones del plasma y a su frecuencia se le llama frecuencia del plasma. Sin embargo, cuando el plasma est atravesado por un campo magntico, que es el caso general en los plasmas espaciales, pueden ocurrir muchos otros tipos de oscilaciones.INESTABILIDADESEl comportamiento colectivo de los plasmas no siempre es estable. De hecho, el plasma es un sistemamuy inestable. Si dentro del comportamiento colectivo ocurre una alteracin local, es posible que sta sea slo una fluctuacin que desaparezca rpidamente; en este caso se dice que el sistema est en equilibrio estable. Pero en los plasmas es muy comn que la desorganizacin 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 investigacin en la fsica de los plasmas consiste en entender mejor estas inestabilidades y encontrar la manera de controlarlas con la ayuda de campos magnticos.PROPIEDADES ELECTROMAGNTICAS DEL PLASMAComo ya mencionamos, un gas es normalmente un buen aislante elctrico, la corriente no puede pasar fcilmente a travs de l. Sin embargo, si el gas tiene suficientes cargas libres como para ser un plasma ste se vuelve un buen conductor elctrico, pues en esta situacin los electrones libres transportan la corriente con facilidad. As, el plasma responde fcilmente a la imposicin de campos elctricos externos y tambin a la de campos magnticos.Una partcula cargada en el interior de un campo elctrico experimenta una fuerza que la acelera en la direccin del campo si la partcula tiene carga positiva, o en direccin contraria si la partcula tiene carga negativa. Ante la presencia de un campo magntico, el movimiento de una partcula cargada es ms complicado, pero en general, si la partcula tiene poca energa describir una hlice alrededor de las lneas de campo y puede sufrir derivas que la lleven a travs de las lneas. Las partculas positivas girarn en un sentido, mientras que las negativas girarn en sentido inverso (figura 5). Algunas derivas dependen de la carga, por lo que llevarn a unas partculas hacia una direccin y a las de carga contraria a la direccin opuesta; pero otras no dependen de la carga y mueven ambos tipos de partculas en la misma direccin.

Figura 5. Las partculas cargadas giran a lo largo de las lneas del campo magntico. Las partculas 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 ser mayor.Pero as como el plasma responde a la presencia de campos electromagnticos impuestos externamente, en su interior l mismo tambin genera este tipo de campos. Una partcula cargada genera un campo elctrico a su alrededor (el campo de fuerza de Coulomb que ya mencionamos) y una partcula cargada en movimiento (que equivale a una corriente elctrica) genera tambin un campo magntico. Puesto que el plasma consiste en partculas cargadas que se mueven, en su interior se encuentran campos electromagnticos. En este sentido, el estado de plasma es nico ya que interacta con los campos electromagnticos impuestos desde el exterior y con los suyos propios. Entonces, la respuesta de un plasma a la imposicin de campos electromagnticos externos generar a su vez otros campos electromagnticos 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 partculas cargadas en los campos electromagnticos estaba ya implcito en los estudios hechos por Faraday y por Ampre en el sigloXIX,no fue sino hasta la dcada de 1930, al descubrirse fenmenos solares y geofsicos en los que aparece esta interaccin, que se empezaron a considerar muchos de los problemas bsicos de la interaccin entre gases ionizados y campos electromagnticos. En la experimentacin con gases en el laboratorio con propsitos tecnolgicos se usan campos magnticos intensos para "ordenar" al plasma, controlar sus inestabilidades, confiarlo a ciertas regiones, empujarlo en una direccin especfica, etc., utilizando precisamente esta fuerte interaccin.CAMPOS CONGELADOSUna propiedad muy interesante de los plasmas, cuando se comportan como fluidos con gran conductividad elctrica, es que no admiten cambios del flujo magntico en su interior. Esto trae como consecuencia que puedan ser confinados por campos magnticos intensos; pero cuando la densidad y la velocidad del plasma son muy grandes, ser el movimiento del plasma el que domine a la estructura del campo. En esta situacin, si el plasma fluye muy rpidamente desde cierta regin donde hay un campo magntico que es incapaz de contenerlo (como es el caso del viento solar, que veremos en el captulo siguiente), entonces arrastrar consigo al plasma para impedir que cambie el flujo magntico en su interior. Entonces se dice que el plasma transporta al campo magnticocongeladoen su interior. sta es una situacin que se da con bastante frecuencia en los plasmas espaciales.CLULAS Y FILAMENTOS DE PLASMAPor la misma propiedad de que no aceptan cambios de flujo magntico en su interior; dos plasmas magnetizados pueden coexistir pacficamente sin mezclarse pues ninguno penetra al otro arrastrando su campo magntico. De esta manera se forman estructurascelulares(parceladas) en las que existir un equilibrio de presiones en la frontera, pero cada una de las clulas puede contener plasma y campos magnticos con caractersticas muy diferentes a las de las dems. En los plasmas espaciales hay muy bellos e impresionantes ejemplos de esta situacin.Pero adems de la morfologa celular; los plasmas frecuentemente muestran una estructurafilamentaria.Esta estructura se deriva tambin del hecho de que los plasmas, debido a sus electrones libres, son muy buenos conductores de electricidad. Dondequiera que las partculas cargadas fluyan en un medio neutralizante, como electrones libres en un fondo de iones, el flujo de partculas cargadas (corriente) produce un anillo de campo magntico alrededor de la corriente. Este anillo presiona al plasma a formar hatos multifilamentarios.FOTONES EN EL PLASMAEn las interacciones entre las partculas cargadas y los campos electromagnticos en un plasma caliente (como en las atmsferas de las estrellas) se producen fotones. stos son paquetes de energa electromagntica, como la luz, los rayos X y los rayos, los cuales son absorbidos y emitidos dentro del plasma. Algunos de ellos tambin logran escapar; con lo que enfran al plasma. Este proceso, que es inevitable, es una de las dificultades para mantener plasmas a altas temperaturas en el laboratorio. La poblacin de fotones es tan inherente a los plasmas calientes que en estos casos suele definirse al plasma mismo como una mezcla de molculas o tomos neutros, iones, electrones y fotones.TRATAMIENTO TERICO DE LOS PLASMASLa forma en que un plasma va a comportarse se puede deducir; en principio, de las interacciones de todas las partculas. Evidentemente este procedimiento, que proporcionara lo que se conoce como lateora cintica del estado de plasma,es muy difcil de llevar a cabo, dada la gran cantidad de partculas que componen al plasma. Sin embargo, ya en 1905 el fsico holands Hendrik Antoon Lorentz aplic al estudio del comportamiento de los electrones en los metales los mtodos estadsticos que el fsico austriaco Ludwig Eduard Boltzmann desarroll para los tomos en movimiento aleatorio que componen un gas. En este tipo de tratamientos, el comportamiento macroscpico (a gran escala) del plasma se describe estadsticamente calculando las probabilidades de que el plasma se encuentre en diversos estados en el nivel microscpico, determinados por las posiciones y las velocidades de todas las partculas. Las caractersticas macroscpicas (mensurables) del plasma, como su presin, temperatura, densidad y los campos electromagnticos en su seno se derivan estadsticamente a partir de esta descripcin microscpica. Varios fsicos y matemticos en las dcadas de 1930 y 1940 desarrollaron ya propiamente la teora cintica del plasma hasta un alto grado de complejidad y en las dcadas subsiguientes este enfoque se ha desarrollado cada vez ms.Pero por fortuna, en muchas ocasiones el comportamiento del plasma puede considerarse como el de unfluidoy entonces se le aplican las leyes de la hidrodinmica; as las caractersticas macroscpicas antes mencionadas (presin, temperatura y densidad) se tratan de manera directa, sin ningn contexto microscpico estadstico de partculas en movimiento. Pero como los plasmas son sensibles a los campos elctricos y magnticos deben obedecer tambin las leyes del electromagnetismo. Esta combinacin de hidrodinmica y electromagnetismo se llamamagnetohidrodinmicay estudia el comportamiento de fluidos conductores en presencia de campos electromagnticos. As, en muchos casos el comportamiento de un plasma se estudia utilizando las ecuaciones de la magnetohidrodinmica oMHD.El conjunto de ecuaciones que representan a laMHDes tambin bastante complicado, pero ms fcil de manejar que el enfoque cintico.UN MISTERIO NO RESUELTOEs de esperarse que un plasma de muy alta densidad se comporte como un fluido, y as 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 estn en general tan diluidos que la distancia que en promedio recorre una partcula antes de interactuar con otra (sucamino libre medio)es del orden de las dimensiones del sistema. A este tipo de plasmas se les denominaplasmas 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 ms.Sin embargo, estos plasmas sin colisiones no son un conjunto de partculas desconectadas, sino que se comportan tambin como fluidos. En el caso de la corona, la explicacin radica en que el plasma coronal (que llena todo el medio interplanetario) est penetrado por un campo magntico cuyas lneas sirven en cierto modo de "enlace" entre las partculas del plasma. Esto mismo se aplica a todos los plasmas espaciales (interestelares e intergalcticos), que si bien son sumamente enrarecidos, a todos ellos los penetran campos magnticos. La presencia del campo magntico es tan universal como la presencia del plasma y contribuye al comportamiento fluido de los enrarecidos plasmas espaciales.Aunque no existe una derivacin terica formal que justifique esta explicacin, es suficientemente plausible e incluso se puede cuantificar en qu condiciones ya no funcionara, 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 magntico siga funcionando como amalgama para el plasma, ste presenta un comportamiento fluido. Se piensa que debe haber un tipo de interaccin entre las ondas que se propagan en el plasma y las partculas que lo componen (una interaccin onda-partcula) que "informa" a unas partculas lo que les est pasando a las otras, de manera que puedan responder en forma conjunta sin embargo, esta hiptesis no se ha comprobado mediante la observacin ni se ha desarrollado en forma terica y la explicacin del obstinado comportamiento fluido de los plasmas incluso a densidades bajsimas, es uno de los problemas que todava estn por resolverse en la fsica del plasma.

UN ACAPARADOR POCO CONOCIDO

CUANDOuno vive en, y forma parte de una singularidad, es natural que al principio considere que su entorno es representativo de las caractersticas generales de todo el sistema y que lo que difiere mucho de nuestra naturaleza es muy escaso. As, hasta hace slo unas cuantas dcadas imaginbamos que toda la materia del Universo era slida, lquida o gaseosa, lo que llamamoslos tres estadosde la materia. Al descubrir el estado de plasma y empezar a estudiar su comportamiento tan singular, se decidi acuar para ste el trminocuarto estado de la materia,pues en conjunto corresponde a un estado de mayor energa que los tres anteriores. Sin embargo, por su temprana aparicin en el Universo (ya que segn las teoras cosmolgicas el Universo naci en forma de plasma) y por su enorme abundancia (pues toda la materia del Universo sigue siendo an plasma), debera ser el primero.QU ES UN PLASMA?Sabemos que los tomos, que suelen agruparse en molculas, son los bloques que constituyen las sustancias ordinarias. Estn compuestos de unncleocargado con electricidad positiva y un nmero equivalente deelectronescargados con electricidad negativa. As, los tomos en su forma completa son elctricamente neutros. Cuando se extraen del tomo uno o ms de sus electrones, lo que queda tiene un exceso de carga positiva y constituye lo que se conoce como union.En un caso extremo, un ion puede ser simplemente un puro ncleo atmico 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 atmico, es unplasma.As pues, el plasma no es un material particular; sino ciertoestado especficode la materia en el que, en conjunto, el material es elctricamente 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 energa. Una sustancia suficientemente fra se presenta en estadoslido,es decir, tiene una forma especfica e internamente se caracteriza por el hecho de que los tomos que la constituyen se encuentran firmemente unidos. Al calentar la sustancia la unin entre los tomos se hace ms dbil debido a la agitacin trmica y la sustancia pasa a otro estado que conocemos comolquido,en el que ya no tiene una forma especfica pero ocupa un volumen definido. Al seguir calentando la sustancia sus tomos pueden llegar a liberarse completamente de las ligas mutuas y entonces pasa a un estado degas,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 an ms se produce un nuevo cambio, ahora ya en el interior de los tomos, los cuales empiezan a desprenderse de sus electrones, esto es, seionizany se forma un plasma. Conforme el material se calienta ms, sus tomos se mueven con mayor rapidez y al chocar unos con otros en gran agitacin puede originarse el desprendimiento de algunos de sus electrones orbitales, quedando as los tomos ionizados y algunos electrones libres. Por encima de los 10 000 grados Kelvin (K), 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 centgrados.Sin embargo, es importante destacar que el estado de plasma no implica necesariamente altas temperaturas; la ionizacin de un material puede producirse por diversos medios. Se pueden producir plasmas pordescargas elctricas;si a un gas ordinario se le aplica un campo elctrico muy fuerte pueden desprenderse algunos de los electrones orbitales, quedando estos tomos ionizados y algunos de sus electrones libres. Estos electrones libres sern acelerados por el campo elctrico y chocarn con otros tomos, desprendiendo algunos de sus electrones, y as el proceso contina como una avalancha. Esto es lo que se llama una descarga elctrica, y un gas ionizado por una descarga elctrica es un tpico caso de un plasma. Tales plasmas se producen en forma natural con los relmpagos o en forma artificial en las lmparas fluorescentes y los tubos de nen, por ejemplo.Otra forma de obtener un plasma es por medio de la absorcin de fotones. Los fotones, que son las partculas de la luz, tambin desprenden electrones de los tomos cuando chocan con ellos; a este proceso se le llamafotoionizacin.La mayor parte del plasma que llena el espacio en el Universo ha sido producido por fotoionizacin, por la luz ultravioleta de las estrellas.As pues, cualquier sustancia puede encontrarse en estado de plasma siempre que se den las condiciones para que toda ella o slo 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 K.La densidad de los plasmas naturales tambin vara enormemente; los hay tan tenues que contienen menos de un par electrn-ion por centmetro cbico y tan densos que llegan a tener del orden de 1025(un uno seguido de 25 ceros) pares electrn-ion por centmetro cbico. La mayor parte del plasma en el Universo es hidrgeno, pues ste es, con mucho, el elemento ms abundante. El ncleo del hidrgeno tiene una sola carga positiva, est constituido por un solo protn y por lo tanto tiene nicamente un electrn. En un plasma de hidrgeno totalmente ionizado se tienen, pues, protones y electrones libres en una especie de sopa que, aunque elctricamente neutra, no llega a constituirse en tomos.EL DOMINIO DEL PLASMAAunque 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 efmero. Estamos rodeados de slidos, lquidos y gases y slo aparecen plasmas cerca de nosotros cuando, por ejemplo, un relmpago cruza la atmsfera y ioniza momentneamente el aire, o mientras est encendida una lmpara fluorescente. Tambin la atmsfera se convierte en un plasma cuando ocurre unaaurora,ese fenmeno luminoso que se observa en el cielo cerca de los polos y que constituye el espectculo natural ms bello que podamos imaginar. As mismo, constituyen un plasma los tomos ionizados y sus electrones libres en la estructura cristalina de un metal slido, siendo estos ltimos capaces de moverse con mucha facilidad para transportar una corriente elctrica.Pero conforme nos alejamos de la superficie de nuestro planeta nos vamos adentrando cada vez ms en el dominio del plasma. La parte alta de nuestra atmsfera, laionosfera,es un plasma, y el material que puebla nuestro entorno magntico, nuestramagnetosfera,tambin es un plasma. El medio interplanetario est lleno de plasma, elviento solar;y prcticamente todo nuestro Sol es una esfera de plasma. Del mismo modo el plasma envuelve a todos los dems planetas, y todas las estrellas del Universo son cuerpos de plasma. Adems de esto, el plasma llena tambin el medio interestelar y el espacio intergalctico. Aristteles tena razn y la Naturaleza le tiene horror al vaco: 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. (Vase figura 1).

Figura 1. Rango de temperaturas y densidades que abarcan los plasmas. En comparacin, los slidos, los lquidos y los gases slo existen en rangos pequeos de temperaturas y presiones.Las escalas lineales para los plasmas varan enormemente, por un factor de 1032. En el laboratorio los plasmas se encuentran hasta en dimensiones del orden de 10-5m; los plasmas magnetosfricos, que constituyen la envoltura de plasma de nuestro planeta y de los dems planetas magnticos 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 lmite del Universo observable, es de 1026m. De todo esto hablaremos con ms detalle en los captulos posteriores.CMO OBSERVAMOS AL PLASMA?El plasma es tan generalizado en el espacio que casi podramos equipararlo con el ter o quintaesencia de los griegos, que de acuerdo con sus ideas constitua todos los cuerpos por encima de la Tierra y llenaba los mismos cielos. Pero no obstante su gran abundancia, el plasma espacial tard mucho tiempo en ser descubierto. El principal motivo de este retraso es que la radiacin que emiten los plasmas espaciales tiene, en general, frecuencias muy diferentes a las de la luz. Nuestros ojos slo son sensibles a emisiones electromagnticas con frecuencias dentro de un rango muy reducido, y no podemos ver ni rayos ultravioleta, ni infrarrojos, ni X, ni gamma (), como tampoco podemos ver las ondas de radio (figura 2). Muchas de estas radiaciones ni siquiera logran atravesar nuestra atmsfera, as, cuando provienen del espacio exterior no es posible detectarlas en la Tierra.

Figura 2. Descripcin esquemtica de las diferentes longitudes de onda en el espectro electromagntico. Las ondas de mayor longitud (menor frecuencia) corresponden a las ondas de radio; las de menor lonigtud de onda (y ms alta frecuencia) son los rayos gamma ().En la figura 3 se muestra la altura sobre la superficie de la Tierra a la cual penetran los distintos tipos de radiaciones electromagnticas y los vehculos que pueden explorar dichas alturas. Como se observa, slo 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 regin de radioondas llegan a la superficie. Estas regiones se conocen como las ventanaspticayde 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. Ntese que solamente alcanzan la superficie las radiaciones en el estrecho rango de la luz visible, un poco de la regin del infrarrojo y una estrecha banda de ondas de radio. En el eje vertical derecho se indican los vehculos exploradores que alcanzan las diversas alturas para registrar todas las radiaciones.Durante 3 000 aos, la civilizacin humana construy su conocimiento del Universo observando slo una regin muy estrecha del espectro electromagntico, la que penetra por la ventana ptica. Hasta hace unas cuantas dcadas, la nica ventana por la que habamos observado el Universo era sa y el hombre crea que todo lo que haba "all arriba" era lo que le revelaban sus propios ojos; ni siquiera imagin que hubiera algo ms que escapara a la estrechsima 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), como en frecuencias muy bajas (ondas de radio), no pudo percibirse sino hasta que se inici la exploracin del Universo por la ventana de radio y cuando se colocaron detectores de todas las radiaciones a grandes alturas, por encima de nuestra atmsfera. Nuevos ojos tuvieron que abrirse para ver eluniverso de plasmay hasta hace menos de dos dcadas se pudieron ver los rayos UV, X yque emiten los plasmas muy calientes. Sin embargo, es importante mencionar que los plasmas tambin 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 slo 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 tambin se le observain situ,es decir; en la propia regin donde se encuentra. Los vehculos espaciales que orbitan o sondean los diversos cuerpos y regiones de nuestro Sistema Solar estn en contacto directo con diferentes tipos de plasmas y registran de primera mano sus caractersticas qumicas, termodinmicas y dinmicas y sus condiciones magnticas.Junto con los plasmas (y en cierto modo como consecuencia de ellos) existen en todo el Universo campos magnticos cuyas lneas 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 ste. En la naturaleza, plasmas y campos magnticos son compaeros inseparables. Pero tampoco faltan las corrientes y los campos elctricos pues forman, junto con los plasmas y los campos magnticos, una misma familia indivisible.UN UNIVERSOFILAMENTOSO Y PARCELADOEl espacio lleno de plasma se nos revela entonces muy distinto del espacio vaco en el que pensbamos hace apenas unas cuantas dcadas. El espacio no slo est ocupado por materia, sino que lo penetran muchas redes de corrientes elctricas y filamentarias, alineadas por los campos magnticos que permean el plasma. Se encuentran tambin en el espaciofrentes de choque(discontinuidades) que viajan en el plasma a velocidades supersnicas o que permanecen fijos en el espacio, estableciendo fronteras entre plasmas diferentes. Otras fronteras son establecidas por enormeshojas de corrientes elctricasy en ocasiones suelen producirsecapas dobles,en las cuales se aceleran las partculas hasta energas mucho mayores de las que se alcanzan en nuestros ms modernos aceleradores.As, hemos descubierto que el espacio no slo no es homogneo, sino que est parcelado, esto es, estructurado en diversas regiones dentro de las cuales las condiciones del plasma son distintas; regiones contiguas, pero rodeadas por fronteras electromagnticas que parcelan el espacio y establecen una coexistencia pacfica entre plasmas de composicin qumica, temperatura, densidad y magnetizaciones diferentes, y condiciones dinmicas particulares que pueden ser contiguas, pero no se mezclan.De todo esto hablaremos ms adelante en detalle, pero deseamos mencionarlo en esta introduccin para destacar el hecho de que el descubrimiento de la presencia universal del plasma y la comprensin cada vez mayor de sus caractersticas y de su comportamiento han cambiado profundamente nuestra concepcin de los cuerpos y el espacio que constituyen nuestro Universo. Para los antiguos griegos y hasta el Renacimiento, la geometra fue la ciencia que se ocupaba de los cielos; el Universo era un conjunto de cuerpos cuyas posiciones y movimientos haban de ser descritos. Esta labor de mapeo an se contina, con el uso de telescopios ms grandes y tecnologas cada vez ms complejas. Pero desde Isaac Newton, hace unos trescientos aos, el Universo empez a verse tambin como un sistema fsico regido por fuerzas gravitacionales que ya no slo determinaban las posiciones y los movimientos, sino que daban cuenta de una evolucin. Ahora surge un nuevo cambio. La imagen que nos han revelado las observaciones y registros espaciales de las ltimas dcadas, la del Universo lleno de plasma, en muchas partes mucho ms sensible a las fuerzas electromagnticas que a las gravitacionales, impone otro punto de vista: la geometra ya hizo su trabajo, la gravitacin tambin ya hizo lo suyo, toca ahora a la fsica del plasma completar la descripcin de nuestro Universo.