Cinturones de Van Allen: Un Baluarte Contra las Partículas Cósmicas

Cinturones de Van Allen: viaje al corazón de las radiaciones

El descubrimiento de un tercer cinturón de radiaciones

Las Sondas Gemelas Van Allen de la NASA, lanzadas el 30 de agosto de 2012, revelaron un nuevo cinturón de radiación alrededor de la Tierra. La misión descubrió un tercer cinturón de radiaciones hasta entonces desconocido dentro de estas peligrosas regiones del espacio. Las sondas de Van Allen constan de dos satélites idénticos, sabiamente separados en el espacio para localizar mejor los acontecimientos, cartografiar esta región, catalogar las partículas de alta energía y seguir las ondas magnéticas que escapan de los cinturones.

La magnetosfera y los trabajos de James Van Allen

La magnetosfera fue descrita en 1958 por James Van Allen (1914-2006) a partir de las mediciones efectuadas por contadores Geiger embarcados en el primer satélite estadounidense, Explorer 1. Fue en esa época cuando se descubrió esta zona del espacio llamada cinturón de Van Allen. Los datos de Explorer 1, completados con los de Explorer 3, permitieron poner de manifiesto la existencia de cinturones de radiaciones que rodean la Tierra, resultado publicado por Van Allen y sus colaboradores en la revista Jet Propulsion en 1958.

Estructura y dinámica de los cinturones

El cinturón de Van Allen, afectado por las tormentas solares, está constituido por dos partes distintas de radiaciones con características diferentes. La primera, la más cercana a la Tierra, está situada entre 700 y 10.000 km de altitud; está constituida principalmente por protones de alta energía. La segunda, la parte exterior más vasta, está situada entre 13.000 y 65.000 km de altitud; está constituida por electrones de alta energía. Estos dos cinturones están separados por una región llamada "slot", generalmente desprovista de partículas energéticas.

Este descubrimiento muestra el carácter dinámico y variable de los cinturones de radiación de nuestro planeta. El tercer cinturón, observado en 2012, persistió durante cuatro semanas y luego desapareció, aniquilado por una onda de choque interplanetaria — la de la erupción solar del 31 de agosto de 2012 — según Daniel Baker, investigador principal del instrumento REPT en la Universidad de Colorado. Los resultados fueron publicados en la revista Science el 28 de febrero de 2013.

Origen de las partículas atrapadas: mecanismos de captura

El atrapamiento magnético

Las partículas cargadas que pueblan los cinturones de Van Allen no se encuentran allí por casualidad. Están atrapadas por el campo magnético terrestre, que actúa como un inmenso imán dipolar. Una partícula cargada que penetra en este campo describe un movimiento helicoidal alrededor de las líneas de campo magnético: se desplaza en espiral a lo largo de una línea mientras deriva longitudinalmente alrededor de la Tierra. En los polos, donde las líneas de campo convergen, la partícula sufre un efecto de espejo magnético: es reflejada hacia el ecuador, oscilando así entre los dos hemisferios. Este mecanismo de confinamiento explica la persistencia de los cinturones durante períodos que pueden alcanzar años.

El mecanismo CRAND y el cinturón interno

El origen de los protones de alta energía del cinturón interno ha intrigado durante mucho tiempo a los físicos. Ya en los años 1960, se propuso que estos protones provienen del proceso de desintegración de neutrones albedo por rayos cósmicos (CRAND, por Cosmic Ray Albedo Neutron Decay). En este mecanismo, los rayos cósmicos galácticos penetran en la alta atmósfera terrestre y colisionan con los átomos neutros, produciendo neutrones. Estos neutrones, inestables, se desintegran en protones y electrones. Los protones, que conservan la mayor parte de la energía cinética del neutrón, son entonces atrapados por el campo magnético terrestre y alimentan el cinturón interno.

En 2017, un equipo dirigido por Xinlin Li publicó en la revista Nature mediciones que confirman que el CRAND es efectivamente la fuente principal de los electrones relativistas cerca del borde interno del cinturón interno, y que también contribuye a los electrones en otras partes del cinturón interno. La densidad de neutrones medida en el espacio próximo a la Tierra — alrededor de \(2 \times 10^{-9}\) por centímetro cúbico — vino a confirmar las estimaciones teóricas. Para el cinturón externo, los electrones provienen principalmente del viento solar y de las inyecciones de plasma durante las tormentas geomagnéticas.

Anomalía del Atlántico Sur

El campo magnético terrestre no es perfectamente simétrico. Por encima del Atlántico Sur, una región conocida como la anomalía del Atlántico Sur (SAA) ve el campo geomagnético debilitarse, permitiendo al cinturón interno descender hasta unos 200 km de altitud. Los satélites en órbita baja, incluida la Estación Espacial Internacional (ISS), atraviesan regularmente esta anomalía y sufren niveles de radiación superiores a lo normal. La ISS, con su inclinación orbital de 51,6°, necesita un blindaje adicional para proteger sus equipos electrónicos y a sus ocupantes. La SAA es, por tanto, un factor importante en la planificación de las misiones en órbita terrestre baja.

Meteorología espacial y riesgos tecnológicos

Impacto sobre los satélites y los sistemas electrónicos

Las partículas energéticas de los cinturones de Van Allen constituyen un riesgo importante para los satélites y los sistemas espaciales. Los electrones relativistas del cinturón externo pueden penetrar los blindajes y provocar fallos electrónicos, perturbaciones en los paneles solares y descargas eléctricas internas. Los satélites de telecomunicaciones en órbita geoestacionaria, que evolucionan cerca del borde externo del cinturón, están particularmente expuestos. Los satélites GPS, los observatorios espaciales como Hubble y las sondas en tránsito hacia órbitas más altas deben atravesar los cinturones varias veces, acumulando dosis de radiación que pueden degradar sus componentes a lo largo de los años.

La tormenta solar de mayo de 2024

En mayo de 2024, la mayor tormenta solar en dos décadas golpeó la Tierra. Durante varios días, oleadas sucesivas de partículas cargadas de alta energía procedentes del Sol bombardearon la magnetosfera terrestre, produciendo auroras excepcionales y perturbando temporalmente algunas comunicaciones GPS. Gracias al CubeSat CIRBE (Colorado Inner Radiation Belt Experiment) de la NASA, los científicos descubrieron que esta tormenta había creado dos nuevos cinturones de radiaciones temporales, encajados entre los dos cinturones permanentes de Van Allen.

Uno de estos nuevos cinturones estaba compuesto principalmente por electrones, mientras que el otro, más interno, contenía una población de protones energéticos — una composición nunca observada antes. El cinturón de protones, situado en una región magnéticamente más estable, persistió mucho más tiempo que los cinturones electrónicos temporales anteriores. Los resultados, publicados el 6 de febrero de 2025 en el Journal of Geophysical Research: Space Physics, subrayan la importancia de vigilar los cinturones para proteger los satélites lanzados hacia la órbita geoestacionaria, que deben atravesarlos varias veces antes de alcanzar su posición final.

Cinturones de Van Allen: un desafío para la exploración espacial

Las órbitas de las sondas y el instrumento REPT

Las dos Sondas de Van Allen tenían aproximadamente la misma órbita excéntrica, cubriendo toda la zona de radiaciones de los cinturones. El instrumento REPT (Relativistic Electron Proton Telescope) embarcado a bordo de las sondas reveló una tercera estructura distinta del cinturón de Van Allen con una segunda zona vacía del espacio, entre los dos cinturones exteriores. Los datos recogidos por la primera nave espacial doble en analizar el cinturón de Van Allen fueron publicados el 28 de febrero de 2013 en la revista Science.

Las instituciones científicas implicadas

Los científicos observaron el tercer cinturón durante cuatro semanas mientras una potente onda de choque golpeaba la magnetosfera. Las observaciones fueron realizadas por investigadores del LASP (Laboratory for Atmospheric and Space Physics), del Goddard Space Flight Center de la NASA, del Los Alamos National Laboratory y del Instituto para el Estudio de la Tierra de la Universidad de New Hampshire. La misión Van Allen Probes funcionó durante casi siete años, muy por encima de su duración inicial prevista de dos años, antes de ser desactivada en 2019.

Los cinturones de Van Allen: entre protección y amenaza

El viento solar y la magnetosfera

La mayor parte de la energía solar se libera en el espacio en forma de radiaciones electromagnéticas, principalmente en forma de luz visible, pero el Sol emite también un flujo de partículas cargadas llamado el viento solar. Este viento solar interactúa fuertemente con la magnetosfera de los planetas y contribuye a limpiar el espacio interplanetario expulsando los gases y los polvos fuera del sistema solar.

El escudo magnético terrestre

Las erupciones solares envían permanentemente partículas de alta energía al espacio y, de vez en cuando, una burbuja de plasma radiactivo y sobrecalentado alcanza la Tierra. Todas las partículas energéticas emitidas por el Sol en dirección a la Tierra circulan a gran velocidad y son continuamente devueltas hacia los polos de la magnetosfera. Así, el viento solar nunca golpea directamente la superficie de la Tierra.

Esta burbuja magnética nos protege de las radiaciones solares. Es la magnetosfera, y no los propios cinturones de Van Allen, la que asegura la protección de la Tierra: los cinturones son su manifestación, el depósito de partículas atrapadas. El campo magnético actúa como un biombo que desvía la corriente eléctrica del viento solar, que fluye entonces hacia el exterior de la magnetosfera. Una exposición prolongada a los flujos más densos del cinturón de radiaciones de Van Allen puede superar los límites de dosis admisibles para el ser humano.

Los astronautas del Apolo frente a las radiaciones

Pocos hombres han atravesado la magnetosfera para encontrarse frente a las radiaciones solares: solo los astronautas del Apolo que se dirigieron a la Luna tuvieron que franquear el cinturón de Van Allen. Las misiones Apolo siguieron trayectorias específicamente calculadas para minimizar el tiempo de tránsito en las zonas más intensas, evitando en lo posible el cinturón interno. Los astronautas pasaron aproximadamente una hora en total en las regiones más expuestas.

Según los dosímetros embarcados, las dosis totales registradas para el conjunto de las misiones Apolo se situaban entre 0,16 rad (Apolo 8) y 1,14 rad (Apolo 14) — es decir, aproximadamente 1,6 a 11,4 milisieverts para la misión completa, no solo la travesía de los cinturones. A modo de comparación, un escáner abdominal entrega alrededor de 10 milisieverts, y el límite anual para los trabajadores del sector nuclear en Francia está fijado en 20 milisieverts. El módulo de mando del Apolo, con su casco de aluminio y acero inoxidable, ofrecía un blindaje suficiente para mantener estas dosis muy por debajo de los umbrales de peligro inmediato.