Cinturones de Van Allen para niños
Los cinturones de Van Allen son como escudos invisibles de energía que rodean la Tierra. Son dos zonas en la magnetosfera terrestre, donde se acumulan muchas partículas cargadas con mucha energía. Estas partículas vienen principalmente del viento solar, que es un flujo de partículas que sale del Sol, y son atrapadas por el campo magnético terrestre.
Estos cinturones llevan el nombre de su descubridor, James Van Allen. Fueron encontrados gracias al lanzamiento del satélite estadounidense Explorer 1 a principios de 1958.
Los dos cinturones principales de la Tierra se extienden a diferentes alturas, desde unos 640 kilómetros hasta 58 000 kilómetros por encima de la superficie. En estas regiones, los niveles de energía de las partículas varían. Se cree que la mayoría de las partículas provienen del viento solar y otras de rayos cósmicos. Al atrapar el viento solar, el campo magnético de la Tierra desvía estas partículas energéticas y protege nuestra atmósfera de ser dañada.
Los cinturones atrapan electrones y protones con mucha energía. Otros tipos de partículas, como las partículas alfa, son menos comunes. Estos cinturones pueden ser un desafío para los satélites, que necesitan tener sus partes delicadas protegidas con un blindaje especial si van a pasar mucho tiempo en esa zona. En 2013, las Sondas de Van Allen de la NASA detectaron un tercer cinturón de energía temporal, que duró unas cuatro semanas. Los astronautas que viajaron a la Luna a través de los cinturones de Van Allen recibieron una cantidad muy pequeña y segura de energía.
Contenido
¿Cómo se descubrieron los cinturones de Van Allen?
Antes de la Era espacial, científicos como Kristian Birkeland, Carl Størmer, Nicholas Christofilos y Enrico Medi ya habían investigado la idea de que partículas cargadas podían quedar atrapadas en el espacio.
El segundo satélite de la Unión Soviética, el Sputnik 2, que llevaba detectores diseñados por Sergei Vernov, y luego los satélites estadounidenses Explorer 1 y Explorer 3, confirmaron la existencia de estos cinturones a principios de 1958. Más tarde, se les dio el nombre de James Van Allen, de la Universidad de Iowa. La energía atrapada fue mapeada por primera vez por los satélites Explorer 4, Pioneer 3 y Luna 1.
El término cinturones de Van Allen se refiere específicamente a los cinturones de energía que rodean la Tierra. Sin embargo, se han encontrado cinturones de energía similares alrededor de otros planetas. El Sol no tiene cinturones de energía permanentes porque no posee un campo magnético global estable. La atmósfera terrestre limita las partículas de los cinturones a regiones por encima de los 200 a 1000 kilómetros, y los cinturones no se extienden más allá de 8 Radio de la Tierra (8 veces el radio de la Tierra). Los cinturones se encuentran en un volumen que se extiende unos 65 grados a cada lado del ecuador celeste.
¿Cómo están formados los cinturones de Van Allen?
Estos cinturones son como anillos con forma de rosquilla (toroidal) donde protones y electrones se mueven en espiral en grandes cantidades entre los polos magnéticos de la Tierra.
Hay dos cinturones principales de Van Allen:
- El cinturón interior se extiende desde unos 500 kilómetros por encima de la superficie de la Tierra hasta más allá de los 5000 kilómetros.
- El cinturón exterior se extiende desde unos 15 000 kilómetros hasta unos 58 000 kilómetros. Este cinturón afecta a satélites que están en órbitas altas o medias, como los geoestacionarios, que se encuentran a unos 36 000 kilómetros de altitud.
Para los satélites de órbita baja (LEO), los ingenieros deben encontrar un equilibrio. Quieren que el satélite esté lo suficientemente alto para evitar la resistencia del aire, que acorta su vida útil. Pero también necesitan que esté por debajo de los 1000 kilómetros para no pasar mucho tiempo en los cinturones de energía, ya que esto podría dañar el satélite.
Una parte del cinturón interior, conocida como la Anomalía del Atlántico Sur (SAA), se extiende a órbitas más bajas. Esta zona es peligrosa para las naves y satélites que la atraviesan, ya que la energía puede afectar tanto a los equipos electrónicos como a los seres humanos. La Anomalía del Atlántico Sur es una región donde los cinturones de energía de Van Allen se acercan a unos cientos de kilómetros de la superficie terrestre. Por eso, la intensidad de la energía es más alta allí. La SAA se produce porque el centro del campo magnético de la Tierra está un poco desviado de su centro geográfico, unos 450 kilómetros.
Estos cinturones de energía se forman por el intenso campo magnético de la Tierra, que es producto de su rotación. Este campo atrapa partículas cargadas (plasma) que vienen del Sol (viento solar), así como partículas cargadas que se generan cuando la atmósfera terrestre interactúa con la radiación cósmica y la radiación solar de alta energía.
Estos cinturones, que contienen partículas con mucha energía, también tienen antiprotones, que son antipartículas con una enorme fuerza electromagnética.
El cinturón interior de Van Allen
El cinturón interior de Van Allen se extiende normalmente desde una altitud de 1000 kilómetros hasta 12 000 kilómetros por encima de la Tierra. En algunos casos, cuando la actividad solar es más fuerte o en zonas como la Anomalía del Atlántico Sur, el límite interior puede bajar hasta unos 200 kilómetros de la superficie. El cinturón interior contiene altas concentraciones de electrones y protones energéticos, atrapados por los campos magnéticos relativamente fuertes de la región.
Se cree que los protones de alta energía en las partes más bajas de los cinturones provienen de la desintegración beta de neutrones que se forman cuando los rayos cósmicos chocan con los núcleos de la atmósfera superior. Los protones de menor energía podrían venir de cambios en el campo magnético durante las tormentas geomagnéticas.
Debido a que los cinturones están ligeramente desplazados del centro 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, las sondas Van Allen observaron un patrón parecido a "rayas de cebra" en los cinturones de energía. Una teoría de 2014 sugería que la rotación de la Tierra, debido a la inclinación de su eje magnético, creaba un campo eléctrico débil que afectaba al cinturón interior. Sin embargo, un estudio de 2016 concluyó que estas "rayas de cebra" eran una huella de los vientos ionosféricos en los cinturones de energía.
El cinturón exterior de Van Allen
El cinturón exterior está formado principalmente por electrones de alta energía atrapados por la magnetosfera terrestre. Es más cambiante que el cinturón interior, ya que es más afectado por la actividad del Sol. Tiene una forma casi de rosquilla, comienza a una altitud de 3 radios terrestres y se extiende hasta 10 radios terrestres (entre 13 000 y 60 000 kilómetros por encima de la superficie terrestre). Su mayor intensidad suele estar entre 4 y 5 radios terrestres.
Los electrones del cinturón exterior se producen principalmente por un movimiento hacia el interior y una aceleración local debido a la transferencia de energía de las ondas de plasma a los electrones. Los electrones también se pierden constantemente por choques con la atmósfera terrestre, pérdidas hacia la magnetopausa y su movimiento hacia el exterior.
En 2014, se descubrió que el borde interior del cinturón exterior tiene una transición muy brusca, por debajo de la cual los electrones muy energéticos no pueden pasar. La razón de este comportamiento protector no se conoce bien.
La población de partículas atrapadas en el cinturón exterior es variada, e incluye electrones y varios iones. La mayoría de los iones son protones energéticos, pero un porcentaje son partículas alfa e iones de oxígeno, similares a los de la ionosfera pero mucho más energéticos. Esta mezcla de iones sugiere que las partículas provienen de más de una fuente.
El cinturón exterior es más grande que el interior y su población de partículas cambia mucho. Los flujos de partículas energéticas pueden aumentar y disminuir drásticamente en respuesta a tormentas geomagnéticas, que son causadas por perturbaciones del campo magnético y del plasma que vienen del Sol. Los aumentos se deben a la inyección y aceleración de partículas de la cola de la magnetosfera. Otra causa de la variabilidad de las partículas del cinturón exterior es la interacción entre las ondas y las partículas con diversas ondas de plasma.
El 28 de febrero de 2013, se anunció el descubrimiento de un tercer cinturón de energía, formado por partículas cargadas de muy alta energía. En una conferencia de prensa del equipo de la sonda Van Allen de la NASA, se dijo que este tercer cinturón es producto de una eyección de masa coronal del Sol. Se ha representado como una creación separada que divide el Cinturón Exterior, como un cuchillo, por su lado exterior, y existe por separado como un almacén de partículas durante un mes, antes de volver a unirse con el Cinturón Exterior.
La estabilidad inusual de este tercer cinturón temporal se ha explicado como un "atrapamiento" por parte del campo magnético terrestre de partículas muy energéticas 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 muy energéticas del tercer cinturón no se dispersan en la atmósfera, ya que tienen demasiada energía para interactuar con las ondas atmosféricas en latitudes bajas. Esta falta de dispersión y el atrapamiento les permiten persistir durante mucho tiempo, siendo finalmente destruidos solo por un evento inusual, como una onda de choque del Sol.
Antiprotones en los cinturones de Van Allen
En 2011, se publicó un artículo que informaba sobre la detección, por medio del satélite PAMELA, de un flujo natural significativo de antiprotones. Estos antiprotones eran más densos en la zona de la Anomalía del Atlántico Sur.
¿Por qué son importantes los cinturones de Van Allen para los viajes espaciales?
Las naves espaciales que viajan más allá de la órbita terrestre baja entran en la zona de energía de los cinturones de Van Allen. Más allá de los cinturones, se enfrentan a peligros adicionales de los rayos cósmicos y eventos de partículas solares. Hay una región entre el cinturón interior y exterior de Van Allen, entre 2 y 4 radios terrestres, que a veces se llama "zona segura".
Las células solares, los circuitos integrados y los sensores de los satélites pueden ser dañados por la energía. Las tormentas geomagnéticas a veces dañan los componentes electrónicos de las naves espaciales. La miniaturización y la digitalización de los componentes electrónicos han hecho que los satélites sean más vulnerables a la energía, ya que la carga eléctrica total de estos circuitos es ahora lo suficientemente pequeña como para ser comparable con la carga de los iones que entran. La electrónica de los satélites debe estar protegida contra la energía para funcionar de forma fiable. El Telescopio Espacial Hubble, entre otros satélites, a menudo apaga sus sensores cuando pasa por regiones de intensa energía. Un satélite blindado con 3 milímetros de aluminio en una órbita elíptica que pasa por los cinturones de energía recibiría una cantidad de energía al año. (Para comparar, una dosis de cuerpo entero mucho mayor sería peligrosa). Casi toda la energía se recibe al pasar por el cinturón interior.
Las Misiones Apolo fueron las únicas en las que los humanos viajaron a través de los cinturones de Van Allen. Los astronautas tuvieron una exposición baja a la energía en los cinturones de Van Allen debido al corto tiempo que pasaron volando a través de ellos.
La energía total recibida por los astronautas varió de una misión a otra, pero fue mucho menor que los límites de seguridad establecidos por organismos de seguridad para las personas que trabajan con materiales energéticos.
Véase también
En inglés: Van Allen radiation belt Facts for Kids
- Magnetosfera
- Viento solar
- Anomalía del Atlántico Sur
