Cinturón de radiación de Van Allen

El cinturón de radiación de Van Allen es una zona de partículas cargadas de alta energía , la mayoría provenientes del viento solar , que son capturadas y retenidas alrededor de un planeta por su magnetosfera . La Tierra posee dos de estos cinturones, y en ocasiones pueden formarse otros temporalmente. Los cinturones reciben su nombre de James Van Allen , quien publicó un artículo describiéndolos 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 millas) ^{[ 3 ]} sobre la superficie, en la cual varían los niveles de radiación . Los cinturones se encuentran en la región interna del campo magnético terrestre . 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 representan un peligro para los satélites , cuyos componentes sensibles deben estar protegidos con un blindaje adecuado si pasan un tiempo considerable cerca de esa zona. Los astronautas del programa Apolo que atravesaron 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 investigaron 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 nombrado 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 mantiene cinturones de radiación de larga duración, ya que carece de un campo dipolar global estable. La atmósfera terrestre limita las partículas de los cinturones a regiones por encima de 200–1000 km (120–620 mi) , ^{[ 11 ]} 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 aproximadamente 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 la predictibilidad) cómo se forman o cambian las poblaciones de electrones e iones relativistas en el espacio en respuesta a las variaciones en la actividad solar y el viento solar. Estudios financiados por el Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA han propuesto el uso de recolectores magnéticos para recoger 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. ^{[ 15 ]}

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, con los consumibles previstos para cuatro. Las sondas se desactivaron en 2019 tras agotarse el combustible, y se espera que la última salga de órbita durante la década de 2030. ^{[ 16 ]} 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 la gestión de los instrumentos de las sondas Van Allen. ^{[ 17 ]}

Existen cinturones de radiación alrededor de otros planetas y lunas del Sistema Solar que poseen campos magnéticos lo suficientemente potentes y estables como para sostenerlos. Se han detectado cinturones de radiación en Júpiter , Saturno , Urano y Neptuno mediante observaciones in situ, como las realizadas por las naves espaciales Galileo y Juno en Júpiter, Cassini-Huygens en Saturno y los sobrevuelos de los programas Voyager y Pioneer . Las observaciones de emisiones de radio de partículas altamente energéticas atrapadas en el campo magnético de un planeta también se han utilizado para detectar remotamente cinturones de radiación, incluso en Júpiter ^{[ 18 ]} y en la enana ultrafría LSR J1835+3259 . ^{[ 19 ]} Es posible que Mercurio pueda atrapar partículas cargadas en su campo magnético, ^{[ 20 ]} aunque su magnetosfera altamente dinámica (que varía en el orden de minutos ^{[ 21 ]} ) podría no ser capaz de sostener cinturones de radiación estables. Venus y Marte no tienen cinturones de radiación, ya que sus configuraciones magnetosféricas no atrapan partículas cargadas de alta energía en órbita alrededor del planeta.

Las tormentas geomagnéticas pueden provocar que la densidad electrónica aumente o disminuya con relativa rapidez (es decir, en aproximadamente un día o menos). Los procesos a mayor escala temporal determinan la configuración general de los cinturones. Tras la inyección de electrones, que aumenta la densidad electrónica, a menudo se observa que esta decae exponencialmente. Estas constantes de tiempo de decaimiento se denominan "tiempos de vida". Las mediciones del espectrómetro magnético de iones y electrones (MagEIS) de la sonda Van Allen B muestran largos tiempos de vida de los electrones (es decir, superiores a 100 días) en el cinturón interior; se observan tiempos de vida cortos 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 veinte días. ^{[ 22 ]}

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 1000 km (620 mi) a 12 000 km (7500 mi) sobre la Tierra. ^{[ 4 ] [ 23 ]} En ciertos casos, cuando la actividad solar es más intensa o en áreas geográficas como la Anomalía del Atlántico Sur , el límite interior puede descender hasta aproximadamente 200 km ^{[ 24 ]} sobre la superficie terrestre. 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). ^{[ 25 ]}    

Se cree que las energías de los protones que superan los 50 MeV en los cinturones inferiores a menor altitud son el resultado de la desintegración beta de neutrones creados por colisiones de rayos cósmicos con 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. ^{[ 26 ]}

Debido al ligero desplazamiento de los cinturones respecto al centro geométrico de la Tierra, el cinturón interior de Van Allen se aproxima más a la superficie en la Anomalía del Atlántico Sur . ^{[ 27 ] [ 28 ]}

En marzo de 2014, el Experimento de Composición Iónica de las Sondas de Tormentas en los Cinturones de Radiación (RBSPICE), a bordo de las Sondas Van Allen , observó un patrón similar a las "rayas de cebra" en los cinturones de radiación. La teoría inicial propuesta en 2014 sugería que, debido a la inclinación del eje del campo magnético terrestre, la rotación del planeta generaba un campo eléctrico débil y oscilante que se extendía por todo el cinturón de radiación interior. ^{[ 29 ]} Un estudio de 2016 concluyó, en cambio, que las rayas de cebra eran una huella de los vientos ionosféricos en los cinturones de radiación. ^{[ 30 ]}

El cinturón exterior consiste principalmente en electrones de alta energía (0,1–10 MeV ) atrapados por la magnetosfera terrestre. Es más variable que el cinturón interior, ya que se ve más fácilmente influenciado por la actividad solar. Tiene una forma casi toroidal , comenzando a una altitud de 3 radios terrestres y extendiéndose hasta 10 radios terrestres ( RE ), es decir, _de 13 000 a 60 000 kilómetros (8 100 a 37 300 millas) sobre la superficie terrestre. Su mayor intensidad suele estar alrededor de 4 a 5 RE . _El cinturón de radiación de electrones exterior se produce principalmente por difusión radial hacia adentro ^{[ 31 ] [ 32 ]} y aceleración local ^{[ 33 ]} debido a la transferencia de energía de ondas de plasma en modo silbador a electrones del cinturón de radiación. Los electrones del cinturón de radiación también se eliminan constantemente por colisiones con la atmósfera terrestre, ^{[ 33 ]} pérdidas hacia la magnetopausa y su difusión radial hacia afuera. 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 elevado 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 descender hasta los bajos niveles interplanetarios en unos 100 km (62 millas) , lo que supone una disminución de un factor de 1000.    

En 2014, se descubrió que el borde interior del cinturón exterior se caracteriza por una transición muy abrupta, por debajo de la cual los electrones altamente relativistas (> 5 MeV) no pueden penetrar. ^{[ 34 ]} La razón de este comportamiento de escudo no se comprende bien.

La población de partículas atrapadas en el cinturón exterior es variada, conteniendo electrones y diversos iones. La mayoría de los iones son 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 anular 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 desencadenadas por perturbaciones del campo magnético y del plasma producidas por el Sol. Los aumentos se deben a inyecciones y aceleración de partículas relacionadas con las tormentas 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 diversas ondas de plasma en un amplio rango de frecuencias. ^{[ 35 ]}

El 28 de febrero de 2013, se informó del descubrimiento de un tercer cinturón de radiación, compuesto 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 producto de una eyección de masa coronal del Sol. Se ha representado como una formación independiente que divide el Cinturón Exterior, como un cuchillo, en su lado externo, y existe por separado como un contenedor de partículas durante un mes, antes de fusionarse nuevamente con el Cinturón Exterior. ^{[ 36 ]}

La inusual estabilidad de este tercer cinturón transitorio se ha explicado como consecuencia de un "atrapamiento" por el campo magnético terrestre de partículas ultrarrelativistas a medida que se desprenden del segundo cinturón exterior tradicional. Mientras que la zona exterior, que se forma y desaparece en un día, es altamente 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. ^{[ 37 ]} Esta ausencia de dispersión y el atrapamiento les permite persistir durante mucho tiempo, siendo finalmente destruidas solo por un evento inusual, como la onda de choque del Sol.

En los cinturones, el flujo de partículas varía sustancialmente con la posición, la energía y la actividad solar. ^{[ 38 ]} Los flujos medidos de protones con energía suficiente (>20 MeV) para penetrar 0,25  mm de aluminio alcanzan hasta 100 000 por cm² ^por segundo. Los electrones de más de 1,5 MeV pueden penetrar ese espesor de aluminio y su flujo alcanza hasta un millón de partículas por centímetro cuadrado por segundo. ^{[ 39 ]}

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. ^{[ 40 ]}

Los niveles de radiación en los cinturones serían peligrosos para los humanos si estuvieran expuestos durante un período prolongado. Las misiones Apolo minimizaron los riesgos para los astronautas enviando naves espaciales a alta velocidad a través de las zonas más delgadas de los cinturones superiores, evitando por completo los cinturones interiores, excepto en la misión Apolo 14, donde la nave espacial viajó a través del corazón de los cinturones de radiación atrapados. ^{[ 27 ] [ 41 ] [ 5 ] [ 42 ]}

• 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 la especulación previa de que el cinturón de Van Allen podría confinar antipartículas. El experimento PAMELA ( Carga útil para la exploración de materia antimateria y astrofísica de núcleos ligeros ) detectó niveles de antiprotones órdenes de magnitud superiores a los esperados 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. ^{[ 43 ]} La energía de los antiprotones se ha medido en el rango de 60 a 750 MeV.

La altísima energía liberada en la aniquilación de antimateria ha dado lugar a propuestas para aprovechar estos antiprotones en la propulsión de naves espaciales. El concepto se basa en el desarrollo de recolectores y contenedores de antimateria. ^{[ 44 ]}

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 estos cinturones, se enfrentan a 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 a una distancia de 2 a 4 radios terrestres y a veces se la denomina "zona segura". ^{[ 45 ] [ 46 ]}

Las células solares , los circuitos integrados y los sensores pueden dañarse por la radiación. Las tormentas geomagnéticas ocasionalmente dañan los componentes electrónicos de las naves espaciales. La miniaturización y la 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 incidentes. La electrónica de los satélites debe estar reforzada contra la radiación para funcionar de forma fiable. El telescopio espacial Chandra apaga sus sensores al pasar por los cinturones de Van Allen. ^{[ 47 ]} El telescopio espacial INTEGRAL se colocó en una órbita diseñada para evitar permanecer dentro de los cinturones. ^{[ 48 ]}

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. ^{[ 49 ]} 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 ]}

Generalmente se entiende que los cinturones de Van Allen interno y externo son resultado de procesos diferentes. El cinturón interno está compuesto principalmente por protones energéticos producidos por la desintegración de neutrones , que a su vez son resultado de colisiones de rayos cósmicos en la atmósfera superior. El cinturón de Van Allen externo consta principalmente de electrones. Estos son inyectados desde la cola geomagnética tras 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 mientras se mueven "latitudinalmente" a lo largo de esas líneas. A medida que las partículas se mueven hacia los polos, la densidad de las líneas de campo magnético aumenta, y su velocidad "latitudinal" disminuye y puede invertirse, desviando las partículas de vuelta hacia la región ecuatorial, lo que provoca que reboten entre los polos de la Tierra. ^{[ 50 ]} 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 interno y externo se denomina a veces "zona segura" o "espacio seguro", y corresponde a la ubicación de las órbitas terrestres medias . Esta brecha se origina por las ondas de radio VLF , que dispersan partículas en un ángulo de paso determinado , lo que añade nuevos iones a la atmósfera. Las erupciones solares también pueden depositar partículas en la brecha, pero estas se disipan en cuestión de días. Anteriormente se creía que las ondas de radio VLF se generaban por la turbulencia en los cinturones de radiación, pero un trabajo reciente de JL Green, del Centro de Vuelo Espacial Goddard, comparó mapas de actividad eléctrica recopilados por la nave espacial Microlab 1 con datos sobre ondas de radio en la brecha del cinturón de radiación obtenidos por la nave espacial IMAGE . Los resultados sugieren que las ondas de radio se generan en realidad por rayos dentro de la atmósfera terrestre. Las ondas de radio generadas impactan la ionosfera con el ángulo correcto para atravesarla únicamente en latitudes altas, donde los extremos inferiores de la brecha se aproximan a la atmósfera superior. Estos resultados aún se debaten en la comunidad científica.

Drenar las partículas cargadas de los cinturones de Van Allen abriría nuevas órbitas para satélites y haría más seguros los viajes de los astronautas. ^{[ 51 ]} 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 . ^{[ 52 ]} Dado que los cinturones de radiación son parte de un sistema complejo, se desconoce si podría haber consecuencias no deseadas al eliminarlos. ^{[ 51 ]}

Un concepto propuesto para drenar y eliminar los campos de radiación de los cinturones de radiación de Van Allen que rodean la Tierra ^{[ 53 ]} se conoce como High Voltage Orbiting Long Tether, o HiVOLT, un concepto propuesto por el físico ruso VV Danilov y perfeccionado posteriormente por Robert P. Hoyt y Robert L. Forward . ^{[ 54 ]} Otra propuesta para drenar los cinturones de Van Allen implica la emisión de ondas de radio de muy baja frecuencia (VLF) desde la superficie terrestre hacia los cinturones de Van Allen. ^{[ 55 ]}

• Modelo dipolar del campo magnético terrestre
• Carcasa en forma de L
• Lista de cinturones de radiación artificiales
• Clima espacial
• Paramagnetismo

• Adams, L.; Daly, EJ; Harboe-Sorensen, R.; Holmes-Siedle, AG; Ward, AK; Bull, RA (diciembre de 1991). "Medición de SEU y dosis total en órbita geoestacionaria bajo condiciones normales y de erupción solar". IEEE Transactions on Nuclear Science . 38 (6): 1686– 1692. Bibcode : 1991ITNS...38.1686A . doi : 10.1109/23.124163 . OCLC 4632198117 . 
• Holmes-Siedle, Andrew; Adams, Len (2002). Manual de efectos de la radiación (2.ª  ed.). Oxford; Nueva York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850733-8LCCN 2001053096 . OCLC 47930537 .​  
• Shprits, Yuri Y.; Elkington, Scott R.; Meredith, Nigel P.; Subbotin, Dmitriy A. (noviembre de 2008). "Revisión del modelado de pérdidas y fuentes de electrones relativistas en el cinturón de radiación exterior". Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics . 70 (14).Parte I: Transporte radial, págs.  1679–1693, doi : 10.1016/j.jastp.2008.06.008 ; Parte II: Aceleración y pérdida local, págs. 1694–1713, doi : 10.1016/j.jastp.2008.06.014 . 

• Una explicación de los cinturones por 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
• Sitio web de las sondas Van Allen. Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins.