# Reconexión magnética

La "reconexión magnética" es un proceso físico que ocurre en plasmas altamente conductores en el que la topología magnética se reorganiza y la energía magnética se convierte en energía cinética, energía térmica y aceleración de partículas. La reconexión magnética se produce en escalas de tiempo intermedias entre la lenta difusión resistiva del campo magnético y las rápidas Alfvénicas.
El concepto de reconexión magnética se introdujo por primera vez en 1950 en la tesis doctoral de James Dungey para explicar el acoplamiento de masa, energía y momento del viento solar en la magnetosfera terrestre. y se publicó por primera vez en la literatura abierta en su artículo seminal de 1961.

## Principios fundamentales

La reconexión magnética es un fallo de la "magnetohidrodinámica ideal" y por tanto del "teorema de Alfvén" (también llamado "teorema del flujo congelado") que se aplica a regiones a gran escala de un magnetoplasma altamente conductor, para el que el Número de Reynolds magnético es muy grande: esto hace que el término convectivo en la ecuación de inducción domine en dichas regiones. El teorema del flujo congelado afirma que en tales regiones el campo se mueve con la velocidad del plasma (la media de las velocidades de iones y electrones, ponderada por su masa). El fallo de reconexión de este teorema ocurre en regiones de gran cizalladura magnética (por la ley de Ampére son hojas de corrientes) que son regiones de pequeña anchura donde el Número de Reynolds magnético puede llegar a ser lo suficientemente pequeño como para hacer que el término de difusión en la ecuación de inducción domine, lo que significa que el campo se difunde a través del plasma desde regiones de alto campo a regiones de bajo campo. En la reconexión, las regiones de flujo de entrada y de salida obedecen ambas al teorema de Alfvén y la región de difusión es una región muy pequeña en el centro de la lámina de corriente donde las líneas de campo se difunden juntas, se fusionan y se reconfiguran de tal manera que se transfieren desde la topología de las regiones de flujo de entrada (es decir, a lo largo de la lámina de corriente) a la de las regiones de flujo de salida (es decir, enhebrando la lámina de corriente). La velocidad de esta transferencia de flujo magnético es el campo eléctrico asociado tanto al flujo de entrada como al de salida y se denomina "velocidad de reconexión".
La equivalencia de cizalladura magnética y corriente puede verse a partir de una de las ecuaciones de Maxwell
    $\nabla \times \mathbf {B} =\mu \mathbf {J} +\mu \epsilon {\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}.$
En un plasma (gas ionizado), para todos los fenómenos excepto excepcionalmente alta frecuencia, el segundo término en el lado derecho de esta ecuación, la corriente de desplazamiento, es despreciable en comparación con el efecto de la corriente libre $\mathbf {J}$ y esta ecuación se reduce a la ley de Ampére para cargas libres. La corriente de desplazamiento se desprecia tanto en los tratamientos teóricos de Parker-Sweet y Petschek de la reconexión, discutidos más adelante, como en la derivación del MHD ideal y el teorema de Alfvén que se aplica en esas teorías en todas partes fuera de la pequeña región de difusión.
La resistividad de la capa de corriente permite que el flujo magnético de cualquier lado se difunda a través de la capa de corriente, anulando el flujo de salida del otro lado de la frontera. Sin embargo, la pequeña escala espacial de la lámina de corriente hace que el Número de Reynolds magnético sea pequeño, por lo que esto por sí solo puede hacer que el término de difusión domine en la ecuación de inducción sin que la resistividad se vea aumentada. Cuando las líneas de campo difusoras de los dos sitios de la frontera se tocan forman las separatrices y así tienen tanto la topología de la región de entrada (es decir, a lo largo de la hoja de corriente) como la región de salida (es decir, enhebrando la hoja de corriente). En la reconexión magnética, las líneas de campo evolucionan desde la topología de afluencia a través de la topología de separatrices hasta la topología de flujo de salida. Cuando esto ocurre, el plasma es arrastrado hacia fuera por la Fuerza de tensión magnética que actúa sobre las líneas de campo reconfiguradas y las expulsa a lo largo de la hoja de corriente. La caída de presión resultante atrae más plasma y flujo magnético hacia la región central, dando lugar a un proceso autosostenido. La importancia del concepto de Dungey de una ruptura localizada del MHD ideal radica en que el flujo de salida a lo largo de la hoja de corriente evita la acumulación de presión en el plasma que, de otro modo, ahogaría el flujo de entrada. En la reconexión Parker-Sweet, el flujo de salida se produce sólo a lo largo de una fina capa en el centro de la lámina de corriente, lo que limita la velocidad de reconexión a valores bajos. Por otro lado, en la reconexión Petschek la región de flujo de salida es mucho más amplia, encontrándose entre frentes de choque (ahora se piensa que son ondas de Alfvén) que se encuentran en el flujo de entrada: esto permite un escape mucho más rápido del plasma congelado en las líneas de campo reconectadas y la tasa de reconexión puede ser mucho mayor.
Dungey acuñó el término "reconexión" porque inicialmente preveía que las líneas de campo de la topología de afluencia se rompieran y luego se unieran de nuevo en la topología de flujo de salida. Sin embargo, esto significa que existirían monopolos magnéticos, aunque durante un periodo muy limitado, lo que violaría las Ecuaciones de Maxwell de que la divergencia del campo es cero. Sin embargo, al considerar la evolución a través de la topología de la separatriz, se evita la necesidad de invocar monopolos magnéticos. Los modelos numéricos globales MHD de la magnetosfera, que utilizan las ecuaciones del MHD ideal, siguen simulando la reconexión magnética a pesar de que se trata de una ruptura del MHD ideal. La razón se acerca a las ideas originales de Dungey: en cada paso temporal del modelo numérico se resuelven las ecuaciones de MHD ideal en cada punto de la rejilla de la simulación para evaluar las nuevas condiciones del campo y del plasma. Las líneas de campo magnético tienen que ser trazadas de nuevo. El algoritmo de trazado comete errores en las láminas de corriente delgadas y une las líneas de campo enhebrándolas donde antes estaban alineadas con la lámina de corriente. Esto suele denominarse "resistividad numérica" y las simulaciones tienen valor predictivo porque el error se propaga según una ecuación de difusión.
Un problema actual en física de plasmas es que la reconexión observada ocurre mucho más rápido de lo predicho por MHD en plasmas de número de Lundquist alto (es decir, reconexión magnética rápida). Las fulguraciones solares, por ejemplo, se producen 13-14 órdenes de magnitud más rápido de lo que sugeriría un cálculo ingenuo, y varios órdenes de magnitud más rápido que los modelos teóricos actuales que incluyen turbulencia y efectos cinéticos. Un posible mecanismo para explicar la discrepancia es que la turbulencia electromagnética en la capa límite sea lo suficientemente fuerte como para dispersar electrones, aumentando la resistividad local del plasma. Esto permitiría que el flujo magnético se difundiera más rápidamente.