Cinturón de radiación Van Allen

Un 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 de esos cinturones y, a veces, otros pueden crearse temporalmente. Los cinturones llevan el nombre de James Van Allen , a quien 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 mi) [2] sobre la superficie, en cuya región la radiaciónlos niveles varían. Se cree que la mayoría de las partículas que forman los cinturones provienen del viento solar y otras partículas por rayos cósmicos . [3] Al atrapar el viento solar, el campo magnético desvía esas partículas energéticas y protege la atmósfera de la destrucción.

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Este video CGI ilustra los cambios en la forma y la intensidad de una sección transversal de los cinturones de Van Allen.
Una sección transversal de los cinturones de radiación de Van Allen

Los cinturones están en la región interior 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 un blindaje adecuado si pasan mucho tiempo cerca de esa zona. En 2013, la NASA informó que las Sondas Van Allen habían descubierto un tercer cinturón de radiación transitorio, que se observó durante cuatro semanas hasta que fue destruido por una poderosa onda de choque interplanetaria del Sol . [4]

Kristian Birkeland , Carl Størmer , Nicholas Christofilos y Enrico Medi habían investigado la posibilidad de partículas cargadas atrapadas antes de la Era Espacial . [5] Explorer 1 y Explorer 3 confirmaron la existencia del cinturón a principios de 1958 con James Van Allen en la Universidad de Iowa . [1] 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 y estable. La atmósfera de la Tierra limita partículas de los cinturones a las regiones por encima de 200-1.000 km, [6] (124-620 millas), mientras que las correas no se extienden más allá de 8 Tierra radios R E . [6] Los cinturones están confinados a un volumen que se extiende alrededor de 65 ° [6] a cada lado del ecuador celeste .

Cinturones de radiación variable de Júpiter

La misión Van Allen Probes de la NASA tiene como objetivo comprender (hasta el punto de la previsibilidad) cómo las poblaciones de electrones e iones relativistas en el espacio se forman o cambian en respuesta a los cambios en la actividad solar y el viento solar. Estudios financiados por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA han propuesto palas magnéticas para recolectar la antimateria que se encuentra naturalmente en los cinturones de Van Allen de la Tierra, aunque se estima que existen sólo unos 10 microgramos de antiprotones en todo el cinturón. [7]

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 espera que los consumibles duren cuatro. Las sondas se desactivaron en 2019 después de quedarse sin combustible y se espera que abandonen la órbita durante la década de 2030. [8] El Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA administra el programa Living With a Star , del cual las sondas Van Allen son un proyecto, junto con el Observatorio de Dinámica Solar (SDO). El Laboratorio de Física Aplicada es responsable de la implementación y gestión de instrumentos de las sondas Van Allen. [9]

Existen cinturones de radiación alrededor de otros planetas y lunas del sistema solar que tienen campos magnéticos lo suficientemente poderosos como para sostenerlos. Hasta la fecha, la mayoría de estos cinturones de radiación se han cartografiado mal. 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 duración 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 caída se denominan "tiempos de vida". Las mediciones del espectrómetro de iones de electrones magnéticos (MagEIS) de la sonda Van Allen Probe B muestran una vida útil prolongada de los electrones (es decir, más de 100 días) en el cinturón interno; se observan tiempos de vida cortos de los 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 los electrones dependientes de la energía de aproximadamente cinco a 20 días. [10]

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

El cinturón de Van Allen interior se extiende típicamente desde una altitud de 0,2 a 2 radios terrestres (valores L de 1 a 3) o 1.000 km (620 millas) a 12.000 km (7.500 millas) sobre la Tierra. [3] [11] 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 [12] 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). [13]

Se cree que las energías de protones que superan los 50 MeV en los cinturones inferiores a altitudes más bajas son el resultado de la desintegración beta de los neutrones creados 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 cambios en el campo magnético durante las tormentas geomagnéticas. [14]

Debido al ligero desplazamiento de los cinturones del centro geométrico de la Tierra, el cinturón interior de Van Allen hace su aproximación más cercana a la superficie en la Anomalía del Atlántico Sur . [15] [16]

En marzo de 2014, el Experimento de composición de iones de las sondas de tormenta del cinturón de radiación (RBSPICE) a bordo de las sondas de Van Allen observó un patrón que se asemeja a "rayas de cebra" en los cinturones de radiación . La teoría inicial propuesta en 2014 fue que, debido a la inclinación en el eje del campo magnético de la Tierra, la rotación del planeta generó un campo eléctrico débil y oscilante que impregna todo el cinturón de radiación interno. [17] En cambio, un estudio de 2016 concluyó que las rayas de cebra eran una huella de los vientos ionosféricos en los cinturones de radiación. [18]

Simulación de laboratorio de la influencia del cinturón de Van Allen en el viento solar; Estas corrientes de Birkeland parecidas a auroras fueron creadas por el científico Kristian Birkeland en su terrella , un globo de ánodo magnetizado en una cámara evacuada.

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 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. Su mayor intensidad suele ser alrededor de 4 a 5 R E . El cinturón de radiación de electrones exterior se produce principalmente por la difusión radial hacia adentro [19] [20] y la aceleración local [21] 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, [21] pérdidas en 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 de la Tierra. 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 descender a niveles interplanetarios bajos 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 brusca, por debajo de la cual los electrones altamente relativistas (> 5MeV) no pueden penetrar. [22] 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 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 las partículas de la cola de la magnetosfera.

El 28 de febrero de 2013, se informó que se descubrió un tercer cinturón de radiación, que consta de partículas cargadas ultrarelativistas 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. [23]

Se ha explicado que la inusual estabilidad de este tercer cinturón transitorio se debe a que el campo magnético de la Tierra atrapa partículas ultrarelativistas 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 ultrarelativistas del tercer cinturón no se dispersan en la atmósfera, ya que son demasiado energéticas para interactuar con las ondas atmosféricas en latitudes bajas. [24] 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.

En los cinturones, en un punto dado, el flujo de partículas de una energía dada disminuye drásticamente con la energía.

En el ecuador magnético , los electrones de energías superiores a 5000 keV (respectivamente 5 MeV) tienen flujos omnidireccionales que van desde 1,2 × 10 6 (respectivamente 3,7 × 10 4 ) hasta 9,4 × 10 9 (respectivamente 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. [25]

La mayoría de los valores de flujo publicados para las bandas interior y exterior pueden no mostrar las densidades de flujo máximas probables que son posibles en las bandas. 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 intensidad y duración del evento de Carrington , mientras que se han disponible naves espaciales con los instrumentos adecuados 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, sin pasar por los cinturones internos por completo, a excepción de la misión Apolo 14 donde la nave espacial viajó a través del corazón de los cinturones de radiación atrapados. [15] [26] [27] [28]

  • Valores de flujo, condiciones solares normales

  • AP8 MIN flujo de protones omnidireccional ≥ 100 keV

  • AP8 MIN flujo de protones omnidireccional ≥ 1 MeV

  • AP8 MIN flujo de protones omnidireccional ≥ 400 MeV

En 2011, un estudio confirmó especulaciones anteriores de que el cinturón de Van Allen podría confinar antipartículas. El experimento de carga útil para exploración de materia de antimateria y astrofísica de núcleos de luz (PAMELA) detectó niveles de antiprotones órdenes de magnitud más altos de lo que se espera de las desintegraciones de partículas normales al pasar por la anomalía del Atlántico sur . Esto sugiere que los cinturones de Van Allen confinan un flujo significativo de antiprotones producido por la interacción de la atmósfera superior de la Tierra con los rayos cósmicos. [29] 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 recolectar 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 cabría esperar debido al blindaje magnético de los rayos cósmicos de gran parte de su atmósfera. En 2019, CMS [ definición necesaria ] anunció que ya había comenzado la construcción de un dispositivo que sería capaz de recolectar estas partículas. [ dudoso - discutir ] La NASA usará este dispositivo para recolectar estas partículas y transportarlas a institutos de todo el mundo para un examen más detenido. Estos denominados "contenedores de antimateria" podrían utilizarse también con fines industriales en el futuro. [30]

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

Las naves 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". [31] [32]

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 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. Los componentes electrónicos de los satélites deben endurecerse contra la radiación para que funcionen de forma fiable. El telescopio espacial Hubble , entre otros satélites, a menudo tiene sus sensores apagados cuando atraviesa regiones de intensa radiación. [33] Un satélite protegido por 3 mm de aluminio en una órbita elíptica (200 por 20.000 millas (320 por 32.190 km)) que pasa por los cinturones de radiación recibirá alrededor de 2.500 rem (25  Sv ) por año. (A modo de comparación, una dosis de 5 Sv para todo el cuerpo es mortal). Casi toda la radiación se recibirá al pasar por el cinturón interior. [34]

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. [35] Los astronautas tuvieron poca exposición en los cinturones de Van Allen debido al corto período de tiempo que pasaron volando a través de ellos. Las trayectorias de vuelo del Apolo pasaron por alto los cinturones internos por completo, pasando a través de las áreas más delgadas de los cinturones externos. [27] [36]

La exposición general de los astronautas 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) [c] por año establecido por la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos para las personas que trabajan con radiactividad. [35]

En general, se entiende que las correas de Van Allen interior y exterior son el resultado de diferentes procesos. El cinturón interior, que consta principalmente de protones energéticos, es el producto de la desintegración de los neutrones denominados " albedo ", que a su vez son 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 tormentas geomagnéticas y, posteriormente, se energizan 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 magnéticas de flujo a medida que se mueven "longitudinalmente" 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 "longitudinal" se ralentiza y puede revertirse, lo que refleja las partículas y hace que reboten entre los polos de la Tierra. [37] 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.

Un espacio entre los cinturones de Van Allen interno y externo, a veces llamado zona segura o ranura segura, es causado por las ondas de muy baja frecuencia (VLF), que dispersan partículas en un ángulo de inclinación , lo que da como resultado la ganancia de partículas a la atmósfera. Los estallidos solares pueden bombear partículas hacia el espacio, pero se drenan nuevamente en cuestión de días. Originalmente se pensó que las ondas de radio se generaban por turbulencia en los cinturones de radiación, pero un trabajo reciente de James L.Green del Goddard Space Flight Center - comparando mapas de actividad de rayos recolectados por la nave espacial Microlab 1 con datos sobre ondas de radio en la radiación. -la brecha del cinturón de la nave espacial IMAGE- sugiere que en realidad son generados por un rayo 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 del espacio se acercan a la atmósfera superior. Estos resultados aún están bajo debate científico.

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. [38]

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 [39] que rodean el Tierra. [40]

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. [41]

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 . [42]

A partir de 2014, sigue siendo incierto si hay consecuencias negativas no deseadas al quitar estos cinturones de radiación. [38]

  • Modelo dipolo del campo magnético terrestre.
  • Concha en L
  • Lista de cinturones de radiación artificial
  • Lista de artículos sobre plasma (física)
  • Clima espacial

  1. ^ Los períodos y velocidades orbitales se calculan utilizando las relaciones 4π 2 R 3  =  T 2 GM y V 2 R  =  GM , donde R , radio de órbita en metros; T , período orbital en segundos; V , velocidad orbital en m / s; G , constante gravitacional, aproximadamente6,673 x 10 −11  Nm 2 / kg 2 ; M , masa de la Tierra, aproximadamente5,98 × 10 24  kg .
  2. ^ Aproximadamente 8,6 veces (en radio y longitud) cuando la luna está más cerca (363 104  km ÷42 164  kilometro ) a 9,6 veces cuando la luna está más alejado (405 696  km ÷42 164  km ).
  3. ^ Para rayos beta, gamma y X, la dosis absorbida en rads es igual a la dosis equivalente en rem

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  • Una explicación de los cinturones de David P. Stern y Mauricio Peredo
  • Antecedentes: modelos de radiación de partículas atrapadas - Introducción a los cinturones de radiación atrapada por SPENVIS
  • SPENVIS - Sistema de educación, efectos y entorno espacial - Puerta de acceso al software de cálculo de dosis orbital SPENVIS
  • El sitio web de Van Allen Probes Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins