Cinturón de radiación de Van Allen

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Zona de partículas cargadas energéticamente alrededor del planeta Tierra
Este video CGI ilustra cambios en la forma e intensidad de una sección transversal de los cinturones Van Allen.
Una sección transversal de bandas de radiación Van Allen

Un cinturón de radiación de Van Allen es una zona de partículas energéticas cargadas, 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, se pueden crear otros temporalmente. Los cinturones llevan el nombre de James Van Allen, a quien se le atribuye su descubrimiento. Los dos cinturones principales de la Tierra se extienden desde una altitud de aproximadamente 640 a 58 000 km (400 a 36 040 mi) sobre la superficie, en cuya región los niveles de radiación varían. Se cree que la mayoría de las partículas que forman los cinturones provienen del viento solar y otras partículas de los rayos cósmicos. Al atrapar el viento solar, el campo magnético desvía esas partículas energéticas y protege la atmósfera de la destrucción.

Los cinturones se encuentran en la región interna del campo magnético de la Tierra. Los cinturones atrapan electrones y protones energéticos. Otros núcleos, como las partículas alfa, son menos frecuentes. Los cinturones ponen en peligro a los satélites, que deben tener sus componentes sensibles protegidos con blindaje adecuado si pasan un tiempo significativo cerca de esa zona. En 2013, las sondas Van Allen detectaron un tercer cinturón de radiación transitorio, que persistió durante cuatro semanas. Los astronautas del Apolo que atravesaron los cinturones de Van Allen recibieron una dosis de radiación muy baja y no dañina.

Descubrimiento

Kristian Birkeland, Carl Størmer, Nicholas Christofilos y Enrico Medi habían investigado la posibilidad de partículas cargadas atrapadas antes de la era espacial. Explorer 1 y Explorer 3 confirmaron la existencia del cinturón a principios de 1958 bajo la dirección de James Van Allen en la Universidad de Iowa. La radiación atrapada fue mapeada 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 los cinturones. partículas a regiones por encima de 200–1000 km, (124–620 millas) mientras que los cinturones no se extienden más allá de 8 radios terrestres RE. Los cinturones están confinados a un volumen que se extiende unos 65° a ambos lados del ecuador celeste.

Investigación

Cinturones de radiación variable de Júpiter

La misión de las sondas Van Allen 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 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 antimateria que ocurre naturalmente en los cinturones de Van Allen de la Tierra, aunque se estima que solo existen alrededor de 10 microgramos de antiprotones en todo el cinturón.

La misión Van Allen Probes se lanzó con éxito el 30 de agosto de 2012. La misión principal estaba programada para durar dos años y se esperaba que los consumibles 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. El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA administra 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 para las Sondas Van Allen.

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 mapeados. El Programa Voyager (a saber, Voyager 2) solo confirmó nominalmente la existencia de cinturones similares alrededor de Urano y Neptuno.

Las tormentas geomagnéticas pueden hacer que la densidad de electrones aumente o disminuya con relativa rapidez (es decir, aproximadamente un día o menos). Los procesos de mayor escala de tiempo determinan la configuración general de las correas. 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 descomposición se denominan "tiempos de vida". Las mediciones del espectrómetro de iones de electrones magnéticos (MagEIS) de Van Allen Probe B muestran vidas largas de electrones (es decir, más de 100 días) en el cinturón interior; se observan tiempos de vida cortos de electrones de alrededor de uno o dos días en la 'ranura'; entre los cinturones; y en el cinturón exterior se encuentran tiempos de vida de electrones dependientes de la energía de aproximadamente cinco a 20 días.

Cinturón interior

Dibujo cortado de dos bandas de radiación alrededor de la Tierra: el cinturón interior (rojo) dominado por protones y el exterior (azul) por electrones. Crédito de imagen: NASA

El cinturón interior de Van Allen se extiende normalmente desde una altitud de 0,2 a 2 radios terrestres (valores L de 1 a 3) o de 1000 km (620 mi) a 12 000 km (7500 mi) sobre la Tierra. En ciertos casos, cuando la actividad solar es más fuerte o en áreas geográficas como la Anomalía del Atlántico Sur, el límite interno puede disminuir hasta aproximadamente 200 km 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).

Se cree que las energías de los protones que superan los 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.

Debido al ligero desplazamiento de los cinturones desde el centro geométrico de la Tierra, el cinturón interior de Van Allen se acerca más a la superficie en la Anomalía del Atlántico Sur.

En marzo de 2014, un patrón parecido a "rayas de cebra" fue observado en los cinturones de radiación por el Experimento de composición de iones de sondas de tormenta de cinturón de radiación (RBSPICE) a bordo de sondas Van Allen. La teoría inicial propuesta en 2014 era 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. En cambio, un estudio de 2016 concluyó que las rayas de cebra eran una huella de los vientos ionosféricos en los cinturones de radiación.

Cinturón exterior

Simulación de laboratorio de la influencia del cinturón de Van Allen en el viento solar; estas corrientes de aurora como Birkeland fueron creadas por el científico Kristian Birkeland en su terrella, un globo de ánodo magnetizado en una cámara evacuada

El cinturón exterior se compone principalmente de 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 una forma casi toroidal, comenzando a una altitud de 3 radios terrestres y extendiéndose hasta 10 radios terrestres (RE)—13 000 a 60 000 kilómetros (8100 a 37 300 mi) sobre la superficie de la Tierra. Su mayor intensidad suele rondar entre 4 y 5 RE. El cinturón de radiación de electrones externo se produce principalmente por difusión radial hacia adentro y aceleración local debido a la transferencia de energía de las ondas de plasma en modo silbido a los electrones del cinturón de radiación. Los electrones del cinturón de radiación también se eliminan constantemente por las colisiones con la atmósfera de la Tierra, las 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 alto flujo 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 al nivel interplanetario bajo. niveles dentro de unos 100 km (62 mi), una disminución por un factor de 1,000.

En 2014, se descubrió que el borde interior del cinturón exterior se caracteriza por una transición muy pronunciada, por debajo de la cual no pueden penetrar electrones altamente relativistas (> 5MeV). La razón de este comportamiento similar a un escudo no se comprende bien.

La población de partículas atrapadas del 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 de anillo probablemente se originan 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 la aceleración de partículas de la cola de la magnetosfera.

El 28 de febrero de 2013, se informó del descubrimiento de un tercer cinturón de radiación, que consiste en partículas cargadas ultrarrelativistas de alta energía. En una conferencia de prensa del equipo Van Allen Probe 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.

Se ha explicado que la inusual estabilidad de este tercer cinturón transitorio se debe a un 'atrapamiento' por el 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 a lo largo de 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. Esta ausencia de dispersión y atrapamiento les permite persistir durante mucho tiempo, y finalmente solo son destruidos por un evento inusual, como la onda de choque del Sol.

Valores de flujo

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 1,2×106 (resp. 3,7×104) hasta 9,4×109 (resp. 2×107) 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.

Es posible que la mayoría de los valores de flujo publicados para las correas internas y externas no muestren las densidades de flujo máximas probables que son posibles en las correas. 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 con la intensidad y duración del evento de 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 durante un período de tiempo 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, sin pasar por los cinturones internos por completo, excepto en la misión Apolo 14, donde la nave espacial viajó a través del corazón de los cinturones de radiación atrapada.

Confinamiento de antimateria

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 más altos de lo que se espera 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. 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 fuentes posibles, pero el cinturón de la Tierra es el más productivo. Júpiter es menos productivo de lo que cabría esperar debido al escudo magnético de los rayos cósmicos de gran parte de su atmósfera. En 2019, CMS anunció que ya comenzó la construcción de un dispositivo que sería capaz de recolectar estas partículas. 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" podría ser utilizado para fines industriales también en el futuro.

Implicaciones para los viajes espaciales

Comparación del tamaño de órbita de GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou-2 y constelaciones de Iridium, la Estación Espacial Internacional, el Telescopio Espacial Hubble y la órbita geoestacionaria (y su órbita de cementerio), con los cinturones de radiación Van Allen y la Tierra a escala.
La órbita de la Luna es alrededor de 9 veces más grande que la órbita geoestacionaria. (En el archivo SVG, arrastre sobre una órbita o su etiqueta para destacarla; haga clic para cargar su artículo.)

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 de rayos cósmicos y 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".

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 ahora es lo suficientemente pequeña como para ser comparable con la carga de los iones entrantes. La electrónica de los satélites debe endurecerse contra la radiación para que funcione de manera confiable. El Telescopio Espacial Hubble, entre otros satélites, a menudo tiene sus sensores apagados cuando pasa por regiones de intensa radiación. 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 2500 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 al pasar por el cinturón interior.

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 varios peligros de radiación conocidos por los planificadores de la misión. 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.

Astronautas' la exposición general en realidad estuvo dominada por 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) por año establecido por los Estados Unidos. Comisión de Energía Atómica para personas que trabajan con radiactividad.

Causas

En general, se entiende que los cinturones de Van Allen internos y externos son el resultado de procesos diferentes. El cinturón interior, que consiste principalmente en protones energéticos, es el producto de la descomposición del llamado "albedo" neutrones, que son a su vez el resultado de colisiones de rayos cósmicos en la atmósfera superior. El cinturón exterior se compone principalmente de electrones. Se inyectan desde la cola geomagnética después de las tormentas geomagnéticas y, posteriormente, se activan 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 magnéticas de flujo a medida que se mueven "latitudinalmente" Entre esas líneas. A medida que las partículas se mueven hacia los polos, la densidad de la línea del campo magnético aumenta y su "latitudinal" la velocidad se ralentiza y se puede invertir, lo que refleja las partículas y hace que reboten de un lado a otro entre los polos de la Tierra. Además de la espiral y el movimiento a lo largo de las líneas de flujo, los electrones se mueven lentamente en dirección este, mientras que los iones se mueven hacia el oeste.

Las ondas de muy baja frecuencia (VLF) provocan un espacio entre los cinturones de Van Allen interior y exterior, a veces llamado zona segura o ranura segura, que dispersan las partículas en el ángulo de inclinación, lo que resulta en la ganancia de partículas al atmósfera. Los estallidos solares pueden bombear partículas al espacio, pero se drenan nuevamente en cuestión de días. Originalmente se pensó que las ondas de radio eran generadas por la turbulencia en los cinturones de radiación, pero un trabajo reciente de James L. Green del Goddard Space Flight Center, que compara mapas de actividad de rayos recopilados por la nave espacial Microlab 1 con datos sobre ondas de radio en la radiación -brecha del cinturón de la nave espacial IMAGE—sugiere que en realidad son generados por rayos dentro de la atmósfera de la Tierra. Las ondas de radio generadas golpean la ionosfera en el ángulo correcto para pasar solo en latitudes altas, donde los extremos inferiores de la brecha se acercan a la atmósfera superior. Estos resultados aún están bajo debate científico.

Propuesta de eliminación

El drenaje de las partículas cargadas de los cinturones de Van Allen abriría nuevas órbitas para los satélites y haría que viajar fuera más seguro para los astronautas.

La conexión larga en órbita de alto voltaje, o HiVOLT, es un concepto propuesto por el físico ruso V. V. Danilov y refinado por Robert P. Hoyt y Robert L. Forward para drenar y eliminar los campos de radiación de los cinturones de radiación de Van Allen que rodean el Tierra.

Otra propuesta para drenar los cinturones de Van Allen consiste en transmitir ondas de radio de muy baja frecuencia (VLF) desde el suelo a los cinturones de Van Allen.

También se ha propuesto drenar cinturones de radiación alrededor de otros planetas, por ejemplo, antes de explorar Europa, que orbita dentro del cinturón de radiación de Júpiter.

A partir de 2014, sigue siendo incierto si la eliminación de estos cinturones de radiación tiene consecuencias negativas no deseadas.

Notas explicativas

  1. ^ Los períodos y velocidades orbitales se calculan utilizando las relaciones 4π2R3=T2MM y V2R=MM, donde R es el radio de órbita en metros; T es el período orbital en segundos; V es la velocidad orbital en m/s; G es la constante gravitacional, aproximadamente 6.673×10−11 -Nm2/kg2; M es la masa de la Tierra, aproximadamente 5.98×1024kg (1.318×1025lb).
  2. ^ Aproximadamente 8.6 veces (en radio y longitud) cuando la Luna es más cercana (es decir, 363,104 km/42.164 km), a 9.6 veces cuando la Luna es más lejana (es decir, 405,696 km/42.164 km).
  3. ^ Para beta, gamma y rayos X la dosis absorbida en rads equivale a la dosis equivalente en rem

Fuentes adicionales