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 retenidas alrededor de un planeta por la magnetosfera de ese planeta . La Tierra tiene dos cinturones de este tipo, y a veces pueden crearse otros temporalmente. Los cinturones reciben su nombre de James Van Allen , quien publicó un artículo que los describía en 1958. [1] [2]
Los dos cinturones principales de la Tierra se extienden desde una altitud de aproximadamente 640 a 58.000 km (400 a 36.040 mi) [3] sobre la superficie, en cuya región varían los niveles de radiación . Los cinturones están 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 como rayos cósmicos . [4] 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 proteger sus componentes sensibles con un blindaje adecuado si pasan un tiempo significativo cerca de esa zona. Los astronautas del Apolo que pasaron por los cinturones de Van Allen recibieron una dosis de radiación muy baja e inofensiva. [5] [6]
En 2013, las sondas Van Allen detectaron un tercer cinturón de radiación transitorio que persistió durante cuatro semanas. [7]
Kristian Birkeland , Carl Størmer , Nicholas Christofilos y Enrico Medi habían investigado la posibilidad de partículas cargadas atrapadas en 1895, formando una base teórica para la formación de cinturones de radiación. [8] El segundo satélite soviético Sputnik 2 que tenía detectores diseñados por Sergei Vernov , [9] seguido por los satélites estadounidenses Explorer 1 y Explorer 3 , [10] confirmaron la existencia del cinturón a principios de 1958, más tarde llamado así en honor a James Van Allen de la Universidad de Iowa . [2] 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 admite 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 los 200-1000 km, [11] (124-620 millas), mientras que los cinturones no se extienden más allá de 8 radios terrestres R E . [11] Los cinturones están confinados a un volumen que se extiende unos 65 ° [11] a cada lado del ecuador celeste .
La misión de las sondas Van Allen de la NASA tiene como objetivo comprender (hasta el punto de que sea previsible) cómo se forman o cambian las poblaciones de electrones e iones relativistas en el espacio en respuesta a los 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 la antimateria que se produce de forma natural en los cinturones de Van Allen de la Tierra, aunque se estima que solo existen unos 10 microgramos de antiprotones en todo el cinturón. [12]
La misión de las sondas Van Allen se lanzó con éxito el 30 de agosto de 2012. La misión principal estaba programada para durar dos años y se esperaba que los materiales fungibles duraran cuatro. Las sondas se desactivaron en 2019 después de quedarse sin combustible y se espera que salgan de órbita durante la década de 2030. [13] El Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA administra el programa Living With a Star , del cual las sondas Van Allen eran un proyecto, junto con el Observatorio de Dinámica Solar (SDO). El Laboratorio de Física Aplicada fue responsable de la implementación y la gestión de instrumentos para las sondas Van Allen. [14]
Existen cinturones de radiación alrededor de otros planetas y lunas del sistema solar que tienen campos magnéticos lo suficientemente potentes como para mantenerlos. Hasta la fecha, la mayoría de estos cinturones de radiación han sido mal cartografiados. El programa Voyager (en concreto, Voyager 2 ) solo confirmó nominalmente la existencia de cinturones similares alrededor de Urano y Neptuno .
Las tormentas geomagnéticas pueden provocar que la densidad de electrones aumente o disminuya con relativa rapidez (es decir, aproximadamente un día o menos). Los procesos a mayor escala de tiempo determinan la configuración general de los cinturones. Después de que la inyección de electrones aumenta la densidad de electrones, a menudo se observa que la densidad de electrones decae exponencialmente. Esas constantes de tiempo de decaimiento se denominan "tiempos de vida". Las mediciones del Espectrómetro de Iones y Electrones Magnéticos (MagEIS) de la sonda Van Allen B muestran tiempos de vida largos de electrones (es decir, más de 100 días) en el cinturón interior; tiempos de vida cortos de electrones de alrededor de uno o dos días se observan en la "ranura" entre los cinturones; y tiempos de vida dependientes de la energía de electrones de aproximadamente cinco a 20 días se encuentran en el cinturón exterior. [15]
El cinturón de Van Allen interior se extiende típicamente desde una altitud de 0,2 a 2 radios terrestres ( valores L de 1,2 a 3) o 1.000 km (620 mi) a 12.000 km (7.500 mi) sobre la Tierra. [4] [16] 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 [17] 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 en la región (en comparación con el cinturón exterior). [18]
Se cree que las energías de protones superiores a 50 MeV en los cinturones inferiores a altitudes más bajas son el resultado de la desintegración beta de neutrones creada por las colisiones de rayos cósmicos con núcleos de la atmósfera superior. Se cree que la fuente de los protones de menor energía es la difusión de protones, debido a los cambios en el campo magnético durante las tormentas geomagnéticas. [19]
Debido al ligero desplazamiento de los cinturones respecto del centro geométrico de la Tierra, el cinturón de Van Allen interior realiza su aproximación más cercana a la superficie en la Anomalía del Atlántico Sur . [20] [21]
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 las "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 permeaba todo el cinturón de radiación interior. [22] En cambio, un estudio de 2016 concluyó que las rayas de cebra eran una huella de los vientos ionosféricos en los cinturones de radiación. [23]
El cinturón exterior está formado principalmente por electrones de alta energía (0,1–10 MeV ) atrapados por la magnetosfera de la Tierra. Es más variable que el cinturón interior, ya que se ve influenciado más fácilmente por la actividad solar. Tiene forma casi toroidal , comenzando a una altitud de 3 radios terrestres y extendiéndose hasta 10 radios terrestres ( R E ), de 13 000 a 60 000 kilómetros (8100 a 37 300 mi) sobre la superficie de la Tierra. [ cita requerida ] Su mayor intensidad suele rondar entre 4 y 5 R E . El cinturón de radiación electrónica exterior se produce principalmente por difusión radial hacia el interior [24] [25] y aceleración local [26] debido a la transferencia de energía de las ondas de plasma en modo silbador a los electrones del cinturón de radiación. Los electrones del cinturón de radiación también se eliminan constantemente por colisiones con la atmósfera de la Tierra, [26] pérdidas en la magnetopausa y su difusión radial hacia el exterior. Los radios de giro 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 flujo alto y en el borde exterior (cerca de la magnetopausa), donde las líneas del campo geomagnético se abren hacia la "cola" geomagnética , el flujo de electrones energéticos puede caer a los niveles interplanetarios bajos en unos 100 km (62 mi), una disminución de un factor de 1000.
En 2014, se descubrió que el borde interior del cinturón exterior se caracteriza por una transición muy pronunciada, por debajo de la cual los electrones altamente relativistas (> 5 MeV) no pueden penetrar. [27] La razón de este comportamiento de tipo escudo no se entiende 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 la corriente de anillo probablemente se originan a partir de más de una fuente.
El cinturón exterior es más grande que el 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 perturbaciones del campo magnético y del plasma producidas por el Sol. Los aumentos se deben a las inyecciones relacionadas con las tormentas y a la aceleración de partículas desde la cola de la magnetosfera. Otra causa de la variabilidad de las poblaciones de partículas del cinturón exterior son las interacciones onda-partícula con varias ondas de plasma en un amplio rango de frecuencias. [28]
El 28 de febrero de 2013 se informó del descubrimiento de un tercer cinturón de radiación, formado por partículas cargadas ultrarrelativistas 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 un producto de la eyección de masa coronal del Sol. Se lo 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. [29]
La inusual estabilidad de este tercer cinturón transitorio se ha explicado como debida a un "atrapamiento" por parte del campo magnético de la Tierra de partículas ultrarrelativistas a medida que se pierden del segundo cinturón exterior tradicional. Mientras que la zona exterior, que se forma y desaparece en un día, es muy variable debido a las interacciones con la atmósfera, se cree que las partículas ultrarrelativistas del tercer cinturón no se dispersan en la atmósfera, ya que son demasiado energéticas para interactuar con las ondas atmosféricas en latitudes bajas. [30] Esta ausencia de dispersión y de atrapamiento les permite persistir durante mucho tiempo, y finalmente solo son destruidas por un evento inusual, como la onda de choque del Sol.
En los cinturones, en un punto dado, el flujo de partículas de una energía dada disminuye bruscamente con la energía.
En el ecuador magnético , los electrones con 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. [31]
La mayoría de los valores de flujo publicados para los cinturones interior y exterior pueden no mostrar 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 las 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 a ellos durante un período prolongado. Las misiones Apolo minimizaron los riesgos para los astronautas enviando naves espaciales a alta velocidad a través de las áreas más delgadas de los cinturones superiores, evitando completamente los cinturones interiores, a excepción de la misión Apolo 14, en la que la nave espacial viajó a través del corazón de los cinturones de radiación atrapada. [20] [32] [5] [33]
En 2011, un estudio confirmó las especulaciones previas 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 órdenes de magnitud superiores a los esperados a partir de 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. [34] La energía de los antiprotones se ha medido en el rango de 60 a 750 MeV.
Una 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 las partículas in situ elimina las pérdidas y los costos de transporte. Júpiter y Saturno también son posibles fuentes, pero el cinturón de la Tierra es el más productivo. Júpiter es menos productivo de lo que podría esperarse debido al blindaje magnético de los rayos cósmicos de gran parte de su atmósfera. En 2019, el CMS anunció que ya había comenzado la construcción de un dispositivo que sería capaz de recolectar estas partículas. [ dudoso – discutir ] 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" también podrían usarse con fines industriales en el futuro. [35]
Las naves espaciales que viajan más allá de la órbita baja de la Tierra entran en la zona de radiación de los cinturones de Van Allen. Más allá de los cinturones, enfrentan peligros adicionales provenientes de los rayos cósmicos y los fenómenos de partículas solares . Una región entre los cinturones de Van Allen interior y exterior se encuentra a una distancia de entre 2 y 4 radios terrestres y a veces se la denomina "zona segura". [36] [37]
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 la electrónica y los circuitos 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 ser reforzada contra la radiación para funcionar de manera confiable. El telescopio espacial Hubble , entre otros satélites, a menudo tiene sus sensores apagados cuando pasa por regiones de radiación intensa. [38] 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 cuerpo completo de 5 Sv es mortal). Casi toda la radiación se recibirá mientras pasa por el cinturón interior. [39]
Las misiones Apolo marcaron el primer evento en el que los humanos viajaron a través de los cinturones de Van Allen, que era uno de los varios peligros de radiación conocidos por los planificadores de la misión. [40] Los astronautas tuvieron una baja exposición en los cinturones de Van Allen debido al corto período de tiempo que pasaron volando a través de ellos. [5] [6]
La exposición general de los astronautas estuvo dominada por las partículas solares una vez que estuvieron fuera del campo magnético de la Tierra. La radiación total recibida por los astronautas varió de una misión a otra, pero se midió que estaba 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 las personas que trabajan con radiactividad. [40]
En general, se entiende que los cinturones de Van Allen interior y exterior son el resultado de procesos diferentes. El cinturón interior está compuesto principalmente de protones energéticos producidos a partir de la desintegración de los llamados neutrones "albedo", que son a su vez el resultado de las colisiones de rayos cósmicos en la atmósfera superior. El cinturón de Van Allen exterior está compuesto principalmente de electrones. Estos son inyectados desde la cola geomagnética después de las tormentas geomagnéticas y posteriormente son energizados a través de 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 se mueven 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 las líneas del campo magnético aumenta y su velocidad "latitudinal" se reduce 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. [41] 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.
El espacio entre los cinturones de Van Allen interior y exterior se denomina a veces "zona segura" o "ranura segura", y es la ubicación de las órbitas medias de la Tierra . El espacio es causado por las ondas de radio VLF , que dispersan partículas en un ángulo de inclinación , lo que añade nuevos iones a la atmósfera. Las erupciones solares también pueden arrojar partículas al espacio, pero estas se drenan en cuestión de días. Anteriormente se pensaba que las ondas de radio VLF se generaban por turbulencia en los cinturones de radiación, pero un trabajo reciente de JL Green del Centro de Vuelos Espaciales Goddard [ cita requerida ] comparó mapas de actividad de relámpagos recopilados por la nave espacial Microlab 1 con datos sobre ondas de radio en el espacio del cinturón de radiación de la nave espacial IMAGE ; los resultados sugieren que las ondas de radio son generadas en realidad por relámpagos dentro de la atmósfera de la Tierra. Las ondas de radio generadas golpean la ionosfera en el ángulo correcto para pasar a través de ella solo en latitudes altas, donde los extremos inferiores del espacio 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 fueran más seguros para los astronautas. [42]
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 [43] que rodean la Tierra. [44]
Otra propuesta para drenar los cinturones de Van Allen implica enviar ondas de radio de muy baja frecuencia (VLF) desde el suelo hacia los cinturones de Van Allen. [45]
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 . [46]
A partir de 2014, sigue sin estar claro si la eliminación de estos cinturones de radiación tiene consecuencias negativas no deseadas . [42]
