El cinturón de radiación de Van Allen es una zona de partículas cargadas de energía , la mayoría de las cuales se originan en el viento solar , que son capturadas y mantenidas alrededor de un planeta por la magnetosfera de ese planeta . La Tierra tiene dos de esos cinturones y, a veces, es posible que se creen otros temporalmente. Los cinturones llevan el nombre de James Van Allen , a quien a menudo se le atribuye su descubrimiento. [1]
Los dos cinturones principales de la Tierra se extienden desde una altitud de aproximadamente 640 a 58.000 km (400 a 36.040 millas) [2] sobre la superficie, en cuya región los niveles de radiación varían. Los cinturones se encuentran en la región interior del campo magnético de la Tierra . Atrapan electrones y protones energéticos . Otros núcleos, como las partículas alfa , son menos frecuentes. Se cree que la mayoría de las partículas que forman los cinturones provienen del viento solar, mientras que otras llegan en forma de rayos cósmicos . [3] Al atrapar el viento solar, el campo magnético desvía esas partículas energéticas y protege la atmósfera de la destrucción.
Los cinturones ponen en peligro a los satélites , que deben tener sus componentes sensibles protegidos con un blindaje adecuado si pasan mucho tiempo cerca de esa zona. Los astronautas del Apolo que atravesaron los cinturones de Van Allen recibieron una dosis de radiación muy baja e inofensiva. [4] [5]
En 2013, las sondas Van Allen detectaron un tercer cinturón de radiación transitorio, que persistió durante cuatro semanas. [6]
Kristian Birkeland , Carl Størmer , Nicholas Christofilos y Enrico Medi habían investigado la posibilidad de que hubiera partículas cargadas atrapadas antes de la era espacial . [7] El segundo satélite soviético Sputnik 2 , que contaba con detectores diseñados por Sergei Vernov , [8] seguido de los satélites estadounidenses Explorer 1 y Explorer 3 , [9] confirmó la existencia del cinturón a principios de 1958, que más tarde recibió el nombre de James Van Allen. de la Universidad de Iowa . [1] La radiación atrapada fue cartografiada por primera vez por Explorer 4 , Pioneer 3 y Luna 1 .
El término cinturones de Van Allen se refiere específicamente a los cinturones de radiación que rodean la Tierra; sin embargo, se han descubierto cinturones de radiación similares alrededor de otros planetas . El Sol no soporta cinturones de radiación a largo plazo, ya que carece de un campo dipolar global estable. La atmósfera de la Tierra limita las partículas de los cinturones a regiones por encima de 200 a 1000 km, [10] (124 a 620 millas), mientras que los cinturones no se extienden más allá de 8 radios terrestres R E . [10] Los cinturones están confinados en un volumen que se extiende aproximadamente 65 ° [10] a cada lado del ecuador celeste .
La misión Van Allen Probes de la NASA tiene como objetivo comprender (hasta el punto de la previsibilidad) cómo se forman o cambian las poblaciones de electrones e iones relativistas en el espacio en respuesta a cambios en la actividad solar y el viento solar. Los estudios financiados por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA han propuesto palas magnéticas para recolectar antimateria que se produce naturalmente en los cinturones de Van Allen de la Tierra, aunque se estima que sólo existen unos 10 microgramos de antiprotones en todo el cinturón. [11]
La misión Van Allen Probes se lanzó con éxito el 30 de agosto de 2012. Estaba previsto que la misión principal durara dos años y se esperaba que los prescindibles duraran cuatro. Las sondas fueron desactivadas en 2019 después de quedarse sin combustible y se espera que salgan de órbita durante la década de 2030. [12] El Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA gestiona el programa Living With a Star , del cual las sondas Van Allen fueron un proyecto, junto con el Observatorio de Dinámica Solar (SDO). El Laboratorio de Física Aplicada fue responsable de la implementación y gestión de instrumentos de las Sondas Van Allen. [13]
Existen cinturones de radiación alrededor de otros planetas y lunas del sistema solar que tienen campos magnéticos lo suficientemente potentes como para sostenerlos. Hasta la fecha, la mayoría de estos cinturones de radiación han sido mal cartografiados. El programa Voyager (en concreto, la Voyager 2 ) confirmó sólo nominalmente la existencia de cinturones similares alrededor de Urano y Neptuno .
Las tormentas geomagnéticas pueden hacer que la densidad de electrones aumente o disminuya relativamente rápido (es decir, aproximadamente un día o menos). Los procesos de mayor duración determinan la configuración general de las correas. Después de que la inyección de electrones aumenta la densidad electrónica, a menudo se observa que la densidad electrónica decae exponencialmente. Esas constantes de tiempo de desintegración se denominan "vidas". Las mediciones del espectrómetro de iones magnéticos electrónicos (MagEIS) de la sonda Van Allen B muestran vidas de electrones largas (es decir, más de 100 días) en el cinturón interior; en la "ranura" entre los cinturones se observan tiempos de vida cortos de los electrones, de alrededor de uno o dos días; y en el cinturón exterior se encuentran vidas de electrones dependientes de la energía de aproximadamente cinco a 20 días. [14]
El cinturón interior de Van Allen se extiende típicamente desde una altitud de 0,2 a 2 radios terrestres ( valores L de 1,2 a 3) o de 1.000 km (620 millas) a 12.000 km (7.500 millas) sobre la Tierra. [3] [15] En ciertos casos, cuando la actividad solar es más fuerte o en áreas geográficas como la Anomalía del Atlántico Sur , el límite interior puede disminuir a aproximadamente 200 km [16] sobre la superficie de la Tierra. El cinturón interior contiene altas concentraciones de electrones en el rango de cientos de keV y protones energéticos con energías superiores a 100 MeV, atrapados por los campos magnéticos relativamente fuertes de la región (en comparación con el cinturón exterior). [17]
Se cree que las energías de los protones superiores a 50 MeV en los cinturones inferiores a altitudes más bajas son el resultado de la desintegración beta de los neutrones creada por las colisiones de los rayos cósmicos con los núcleos de la atmósfera superior. Se cree que la fuente de protones de menor energía es la difusión de protones, debido a los cambios en el campo magnético durante las tormentas geomagnéticas. [18]
Debido al ligero desplazamiento de los cinturones con respecto al centro geométrico de la Tierra, el cinturón interior de Van Allen se acerca más a la superficie en la Anomalía del Atlántico Sur . [19] [20]
En marzo de 2014, el Experimento de composición iónica de las sondas de tormentas del cinturón de radiación (RBSPICE) a bordo de las sondas Van Allen observó un patrón parecido a "rayas de cebra" en los cinturones de radiación . La teoría inicial propuesta en 2014 fue que, debido a la inclinación del eje del campo magnético de la Tierra, la rotación del planeta generaba un campo eléctrico débil y oscilante que impregna todo el cinturón de radiación interior. [21] En cambio, un estudio de 2016 concluyó que las rayas de cebra eran una huella de los vientos ionosféricos en los cinturones de radiación. [22]
El cinturón exterior está formado principalmente por electrones de alta energía (0,1 a 10 MeV ) atrapados por la magnetosfera de la Tierra. Es más variable que el cinturón interior, ya que se ve más fácilmente influenciado por la actividad solar. Tiene forma casi toroidal , comienza a una altitud de 3 radios terrestres y se extiende hasta 10 radios terrestres ( R E ): de 13.000 a 60.000 kilómetros (8.100 a 37.300 millas) sobre la superficie de la Tierra. [ cita necesaria ] Su mayor intensidad suele rondar entre 4 y 5 R E. El cinturón de radiación de electrones exterior se produce principalmente por difusión radial hacia adentro [23] [24] y aceleración local [25] debido a la transferencia de energía de las ondas de plasma en modo silbato a los electrones del cinturón de radiación. Los electrones del cinturón de radiación también son eliminados constantemente por colisiones con la atmósfera terrestre, [25] pérdidas durante la magnetopausa y su difusión radial hacia afuera. Los giroradios de los protones energéticos serían lo suficientemente grandes como para ponerlos en contacto con la atmósfera terrestre. Dentro de este cinturón, los electrones tienen un alto flujo y en el borde exterior (cerca de la magnetopausa), donde las líneas del campo geomagnético se abren en la "cola" geomagnética , el flujo de electrones energéticos puede caer a los niveles interplanetarios bajos dentro de unos 100 km. (62 millas): una disminución de un factor de 1000.
En 2014 se descubrió que el borde interior del cinturón exterior se caracteriza por una transición muy brusca, por debajo de la cual los electrones altamente relativistas (> 5 MeV) no pueden penetrar. [26] La razón de este comportamiento similar a un escudo no se comprende bien.
La población de partículas atrapadas en el cinturón exterior es variada y contiene electrones y varios iones. La mayoría de los iones están en forma de protones energéticos, pero un cierto porcentaje son partículas alfa e iones de oxígeno O + , similares a los de la ionosfera pero mucho más energéticos. Esta mezcla de iones sugiere que las partículas de corriente anular probablemente se originen en más de una fuente.
El cinturón exterior es más grande que el cinturón interior y su población de partículas fluctúa ampliamente. Los flujos de partículas energéticas (radiación) pueden aumentar y disminuir drásticamente en respuesta a las tormentas geomagnéticas , que a su vez son provocadas por el campo magnético y las perturbaciones del plasma producidas por el Sol. Los aumentos se deben a las inyecciones relacionadas con las tormentas y a la aceleración de partículas de la cola de la magnetosfera. Otra causa de la variabilidad de las poblaciones de partículas del cinturón exterior son las interacciones onda-partícula con diversas ondas de plasma en una amplia gama de frecuencias. [27]
El 28 de febrero de 2013 se informó del descubrimiento de un tercer cinturón de radiación, formado por partículas cargadas ultrarelativistas de alta energía . En una conferencia de prensa del equipo de la sonda Van Allen de la NASA, se afirmó que este tercer cinturón es producto de la eyección de masa coronal del Sol. Se ha representado como una creación separada que divide el Cinturón Exterior, como un cuchillo, en su lado exterior, y existe por separado como un contenedor de almacenamiento de partículas durante un mes, antes de fusionarse una vez más con el Cinturón Exterior. [28]
La inusual estabilidad de este tercer cinturón transitorio se ha explicado como debida a una "atrapamiento" por parte del campo magnético de la Tierra de partículas ultrarelativistas a medida que se van perdiendo del segundo cinturón exterior tradicional. Mientras que la zona exterior, que se forma y desaparece a lo largo de un día, es muy variable debido a las interacciones con la atmósfera, se cree que las partículas ultrarelativistas del tercer cinturón no se dispersan en la atmósfera, ya que son demasiado energéticas para interactuar con las ondas atmosféricas en latitudes bajas. [29] Esta ausencia de dispersión y atrapamiento les permite persistir durante mucho tiempo, y finalmente sólo son destruidos por un evento inusual, como la onda de choque del Sol.
En los cinturones, en un punto determinado, el flujo de partículas de una energía determinada disminuye drásticamente con la energía.
En el ecuador magnético , los electrones de energías superiores a 5000 keV (resp. 5 MeV) tienen flujos omnidireccionales que van desde 1,2×10 6 (resp. 3,7×10 4 ) hasta 9,4×10 9 (resp. 2×10 7 ) partículas por centímetro cuadrado por segundo.
Los cinturones de protones contienen protones con energías cinéticas que van desde aproximadamente 100 keV, que pueden penetrar 0,6 µm de plomo , hasta más de 400 MeV, que pueden penetrar 143 mm de plomo. [30]
Es posible que la mayoría de los valores de flujo publicados para los cinturones interior y exterior no muestren las densidades de flujo máximas probables que son posibles en los cinturones. Hay una razón para esta discrepancia: la densidad de flujo y la ubicación del flujo máximo son variables, dependiendo principalmente de la actividad solar, y el número de naves espaciales con instrumentos que observan el cinturón en tiempo real ha sido limitado. La Tierra no ha experimentado una tormenta solar de la intensidad y duración del evento Carrington , mientras que naves espaciales con los instrumentos adecuados han estado disponibles para observar el evento.
Los niveles de radiación en los cinturones serían peligrosos para los humanos si estuvieran expuestos durante un período prolongado. Las misiones Apolo minimizaron los peligros para los astronautas al enviar naves espaciales a altas velocidades a través de las áreas más delgadas de los cinturones superiores, evitando completamente los cinturones internos, excepto en la misión Apolo 14, donde la nave espacial viajó a través del corazón de los cinturones de radiación atrapada. [19] [31] [4] [32]
En 2011, un estudio confirmó la especulación anterior de que el cinturón de Van Allen podría confinar antipartículas. El experimento Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics (PAMELA) detectó niveles de antiprotones de órdenes de magnitud superiores a los esperados en las desintegraciones normales de partículas al pasar por la Anomalía del Atlántico Sur . Esto sugiere que los cinturones de Van Allen confinan un flujo significativo de antiprotones producidos por la interacción de la atmósfera superior de la Tierra con los rayos cósmicos. [33] La energía de los antiprotones se ha medido en el rango de 60 a 750 MeV.
La investigación financiada por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA concluyó que sería factible aprovechar estos antiprotones para la propulsión de naves espaciales. Los investigadores creían que este enfoque tendría ventajas sobre la generación de antiprotones en el CERN porque la recolección de partículas in situ elimina las pérdidas y los costos de transporte. Júpiter y Saturno también son posibles fuentes, pero el cinturón terrestre es el más productivo. Júpiter es menos productivo de lo que cabría esperar debido al blindaje magnético de gran parte de su atmósfera contra los rayos cósmicos. En 2019, CMS anunció que ya había comenzado la construcción de un dispositivo que sería capaz de recolectar estas partículas. [ dudoso ] La NASA utilizará este dispositivo para recolectar estas partículas y transportarlas a institutos de todo el mundo para su posterior examen. Estos llamados "contenedores de antimateria" podrían utilizarse en el futuro también con fines industriales. [34]
Las naves espaciales que viajan más allá de la órbita terrestre baja entran en la zona de radiación de los cinturones de Van Allen. Más allá de los cinturones, enfrentan peligros adicionales derivados de los rayos cósmicos y los eventos de partículas solares . Una región entre los cinturones de Van Allen interior y exterior se encuentra entre 2 y 4 radios terrestres y a veces se la denomina "zona segura". [35] [36]
Las células solares , los circuitos integrados y los sensores pueden resultar dañados por la radiación. Las tormentas geomagnéticas ocasionalmente dañan los componentes electrónicos de las naves espaciales. La miniaturización y digitalización de los circuitos electrónicos y lógicos han hecho que los satélites sean más vulnerables a la radiación, ya que la carga eléctrica total en estos circuitos es ahora lo suficientemente pequeña como para ser comparable con la carga de los iones entrantes. La electrónica de los satélites debe estar reforzada contra la radiación para que funcione de forma fiable. El Telescopio Espacial Hubble , entre otros satélites, a menudo tiene sus sensores apagados cuando pasa por regiones de intensa radiación. [37] Un satélite protegido por 3 mm de aluminio en una órbita elíptica (200 por 20.000 millas (320 por 32.190 km)) que pase por los cinturones de radiación recibirá alrededor de 2.500 rem (25 Sv ) por año. (A modo de comparación, una dosis de 5 Sv en todo el cuerpo es mortal). Casi toda la radiación se recibirá al pasar por el cinturón interior. [38]
Las misiones Apolo marcaron el primer evento en el que los humanos viajaron a través de los cinturones de Van Allen, que fue uno de los varios peligros de radiación conocidos por los planificadores de misiones. [39] Los astronautas tuvieron baja exposición en los cinturones de Van Allen debido al corto período de tiempo que pasaron volando a través de ellos. [4] [5]
La exposición general de los astronautas estuvo en realidad dominada por las partículas solares una vez fuera del campo magnético de la Tierra. La radiación total recibida por los astronautas varió de una misión a otra, pero se midió entre 0,16 y 1,14 rads (1,6 y 11,4 mGy ), mucho menos que el estándar de 5 rem (50 mSv) [c] por año establecido por la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos para personas que trabajan con radiactividad. [39]
Generalmente se entiende que los cinturones de Van Allen interior y exterior son el resultado de procesos diferentes. El cinturón interior está compuesto principalmente por protones energéticos producidos a partir de la desintegración de los llamados neutrones "albedo", que son a su vez el resultado de colisiones de rayos cósmicos en la atmósfera superior. El cinturón exterior de Van Allen está formado principalmente por electrones. Se inyectan desde la cola geomagnética después de las tormentas geomagnéticas y posteriormente se energizan mediante interacciones onda-partícula .
En el cinturón interior, las partículas que se originan en el Sol quedan atrapadas en el campo magnético de la Tierra. Las partículas giran en espiral a lo largo de las líneas de flujo magnético a medida que se mueven "latitudinalmente" a lo largo de esas líneas. A medida que las partículas se mueven hacia los polos, la densidad de la línea del campo magnético aumenta y su velocidad "latitudinal" se ralentiza y puede invertirse, desviando las partículas hacia la región ecuatorial, lo que hace que reboten de un lado a otro entre los polos de la Tierra. [40] Además de girar en espiral y moverse a lo largo de las líneas de flujo, los electrones se desplazan lentamente en dirección este, mientras que los protones se desplazan hacia el oeste.
La brecha entre los cinturones de Van Allen interior y exterior a veces se denomina "zona segura" o "ranura segura" y es la ubicación de las órbitas terrestres medias . La brecha es causada por las ondas de radio VLF , que dispersan partículas en un ángulo de inclinación , lo que agrega nuevos iones a la atmósfera. Los estallidos solares también pueden arrojar partículas al espacio, pero éstas se drenan en cuestión de días. Anteriormente se pensaba que las ondas de radio VLF eran generadas por turbulencias en los cinturones de radiación, pero un trabajo reciente de JL Green del Centro de Vuelo Espacial Goddard [ cita necesaria ] comparó mapas de actividad de rayos recopilados por la nave espacial Microlab 1 con datos sobre ondas de radio en la brecha del cinturón de radiación de la nave espacial IMAGE ; Los resultados sugieren que las ondas de radio en realidad son generadas por rayos dentro de la atmósfera terrestre. Las ondas de radio generadas golpean la ionosfera en el ángulo correcto para atravesarla sólo en latitudes altas, donde los extremos inferiores de la brecha se acercan a la atmósfera superior. Estos resultados todavía están siendo debatidos en la comunidad científica.
Drenar las partículas cargadas de los cinturones de Van Allen abriría nuevas órbitas para los satélites y haría que los viajes de los astronautas fueran más seguros. [41]
High Voltage Orbiting Long Tether, o HiVOLT, es un concepto propuesto por el físico ruso VV Danilov y perfeccionado por Robert P. Hoyt y Robert L. Forward para drenar y eliminar los campos de radiación de los cinturones de radiación de Van Allen [42] que rodean la Tierra. Tierra. [43]
Otra propuesta para drenar los cinturones de Van Allen implica transmitir ondas de radio de muy baja frecuencia (VLF) desde el suelo hacia los cinturones de Van Allen. [44]
También se ha propuesto drenar los cinturones de radiación alrededor de otros planetas, por ejemplo, antes de explorar Europa , que orbita dentro del cinturón de radiación de Júpiter . [45]
A partir de 2014, sigue siendo incierto si la eliminación de estos cinturones de radiación tiene consecuencias negativas no deseadas . [41]
