Cinturão de Van Allen: Uma Muralha Contra as Partículas Cósmicas

Cinturões de Van Allen: viagem ao coração das radiações

A descoberta de um terceiro cinturão de radiações

As Sondas Gémeas Van Allen da NASA, lançadas em 30 de agosto de 2012, revelaram um novo cinturão de radiação ao redor da Terra. A missão descobriu um terceiro cinturão de radiações até então desconhecido no seio dessas regiões perigosas do espaço. As sondas de Van Allen compõem-se de dois satélites idênticos, sabiamente separados no espaço para melhor localizar os acontecimentos, cartografar essa região, catalogar as partículas de alta energia e seguir as ondas magnéticas que escapam dos cinturões.

A magnetosfera e os trabalhos de James Van Allen

A magnetosfera foi descrita em 1958 por James Van Allen (1914-2006) a partir de medições efetuadas por contadores Geiger embarcados no primeiro satélite americano, o Explorer 1. Foi nessa época que foi descoberta essa zona do espaço chamada cinturão de Van Allen. Os dados do Explorer 1, completados pelos do Explorer 3, permitiram evidenciar a existência de cinturões de radiações que envolvem a Terra, resultado publicado por Van Allen e os seus colaboradores na revista Jet Propulsion em 1958.

Estrutura e dinâmica dos cinturões

O cinturão de Van Allen, afetado pelas tempestades solares, é constituído por duas partes distintas de radiações com características diferentes. A primeira, a mais próxima da Terra, está situada entre 700 e 10.000 km de altitude; é constituída principalmente por prótons de alta energia. A segunda, a parte exterior mais vasta, está situada entre 13.000 e 65.000 km de altitude; é constituída por elétrons de alta energia. Esses dois cinturões são separados por uma região chamada "slot", geralmente desprovida de partículas energéticas.

Essa descoberta mostra o caráter dinâmico e variável dos cinturões de radiação do nosso planeta. O terceiro cinturão, observado em 2012, persistiu durante quatro semanas e depois desapareceu, aniquilado por uma onda de choque interplanetária — a da erupção solar de 31 de agosto de 2012 — segundo Daniel Baker, investigador principal do instrumento REPT na Universidade do Colorado. Os resultados foram publicados na revista Science em 28 de fevereiro de 2013.

Origem das partículas presas: mecanismos de captura

A armadilha magnética

As partículas carregadas que povoam os cinturões de Van Allen não se encontram lá por acaso. Estão presas pelo campo magnético terrestre, que age como um imenso íman dipolar. Uma partícula carregada que penetra nesse campo descreve um movimento helicoidal em torno das linhas de campo magnético: desloca-se em espiral ao longo de uma linha enquanto deriva longitudinalmente ao redor da Terra. Nos polos, onde as linhas de campo convergem, a partícula sofre um efeito de espelho magnético: é refletida para o equador, oscilando assim entre os dois hemisférios. Esse mecanismo de confinamento explica a persistência dos cinturões durante períodos que podem atingir anos.

O mecanismo CRAND e o cinturão interno

A origem dos prótons de alta energia do cinturão interno intrigou durante muito tempo os físicos. Já nos anos 1960, foi proposto que esses prótons provêm do processo de desintegração dos neutrões albedo por raios cósmicos (CRAND, por Cosmic Ray Albedo Neutron Decay). Nesse mecanismo, os raios cósmicos galácticos penetram na alta atmosfera terrestre e colidem com os átomos neutros, produzindo neutrões. Esses neutrões, instáveis, desintegram-se em prótons e elétrons. Os prótons, que conservam a maior parte da energia cinética do neutrão, são então presos pelo campo magnético terrestre e alimentam o cinturão interno.

Em 2017, uma equipa liderada por Xinlin Li publicou na revista Nature medições que confirmam que o CRAND é efetivamente a fonte principal dos elétrons relativistas perto da borda interna do cinturão interno, e que contribui igualmente para os elétrons noutras partes do cinturão interno. A densidade de neutrões medida no espaço próximo da Terra — cerca de \(2 \times 10^{-9}\) por centímetro cúbico — veio confirmar as estimativas teóricas. Para o cinturão externo, os elétrons provêm principalmente do vento solar e das injeções de plasma durante as tempestades geomagnéticas.

Anomalia do Atlântico Sul

O campo magnético terrestre não é perfeitamente simétrico. Por cima do Atlântico Sul, uma região conhecida como anomalia do Atlântico Sul (SAA) vê o campo geomagnético enfraquecer, permitindo ao cinturão interno descer até cerca de 200 km de altitude. Os satélites em órbita baixa, incluindo a Estação Espacial Internacional (ISS), atravessam regularmente essa anomalia e sofrem níveis de radiação superiores ao normal. A ISS, com a sua inclinação orbital de 51,6°, necessita de uma blindagem adicional para proteger os seus equipamentos eletrónicos e os seus ocupantes. A SAA é, portanto, um fator importante no planeamento das missões em órbita terrestre baixa.

Meteorologia espacial e riscos tecnológicos

Impacto sobre os satélites e os sistemas eletrónicos

As partículas energéticas dos cinturões de Van Allen constituem um risco importante para os satélites e os sistemas espaciais. Os elétrons relativistas do cinturão externo podem penetrar as blindagens e provocar falhas eletrónicas, perturbações nos painéis solares e descargas elétricas internas. Os satélites de telecomunicações em órbita geoestacionária, que evoluem perto da borda externa do cinturão, estão particularmente expostos. Os satélites GPS, os observatórios espaciais como o Hubble e as sondas em trânsito para órbitas mais altas devem atravessar os cinturões várias vezes, acumulando doses de radiação que podem degradar os seus componentes ao longo dos anos.

A tempestade solar de maio de 2024

Em maio de 2024, a maior tempestade solar em duas décadas atingiu a Terra. Durante vários dias, vagas sucessivas de partículas carregadas de alta energia provenientes do Sol bombardearam a magnetosfera terrestre, produzindo auroras excecionais e perturbando temporariamente algumas comunicações GPS. Graças ao CubeSat CIRBE (Colorado Inner Radiation Belt Experiment) da NASA, os cientistas descobriram que essa tempestade tinha criado dois novos cinturões de radiações temporários, encaixados entre os dois cinturões permanentes de Van Allen.

Um desses novos cinturões era composto principalmente por elétrons, enquanto o outro, mais interno, continha uma população de prótons energéticos — uma composição nunca antes observada. O cinturão de prótons, situado numa região magneticamente mais estável, persistiu muito mais tempo do que os cinturões eletrónicos temporários anteriores. Os resultados, publicados em 6 de fevereiro de 2025 no Journal of Geophysical Research: Space Physics, sublinham a importância de vigiar os cinturões para proteger os satélites lançados para a órbita geoestacionária, que devem atravessá-los várias vezes antes de atingir a sua posição final.

Cinturões de Van Allen: um desafio para a exploração espacial

As órbitas das sondas e o instrumento REPT

As duas Sondas de Van Allen tinham aproximadamente a mesma órbita excêntrica, cobrindo toda a zona de radiações dos cinturões. O instrumento REPT (Relativistic Electron Proton Telescope) embarcado a bordo das sondas revelou uma terceira estrutura distinta do cinturão de Van Allen com uma segunda zona vazia do espaço, entre os dois cinturões exteriores. Os dados recolhidos pela primeira nave espacial dupla a analisar o cinturão de Van Allen foram publicados em 28 de fevereiro de 2013 na revista Science.

As instituições científicas envolvidas

Os cientistas observaram o terceiro cinturão durante quatro semanas enquanto uma poderosa onda de choque atingia a magnetosfera. As observações foram realizadas por investigadores do LASP (Laboratory for Atmospheric and Space Physics), do Goddard Space Flight Center da NASA, do Los Alamos National Laboratory e do Instituto para o Estudo da Terra da Universidade de New Hampshire. A missão Van Allen Probes funcionou durante quase sete anos, muito além da sua duração inicial prevista de dois anos, antes de ser desativada em 2019.

Os cinturões de Van Allen: entre proteção e ameaça

O vento solar e a magnetosfera

A maior parte da energia solar é libertada no espaço sob forma de radiações eletromagnéticas, principalmente sob forma de luz visível, mas o Sol emite também um fluxo de partículas carregadas chamado o vento solar. Esse vento solar interage fortemente com a magnetosfera dos planetas e contribui para limpar o espaço interplanetário, ejetando os gases e as poeiras para fora do sistema solar.

O escudo magnético terrestre

As erupções solares enviam permanentemente partículas de alta energia para o espaço e, de vez em quando, uma bolha de plasma radioativo e sobreaquecido atinge a Terra. Todas as partículas energéticas emitidas pelo Sol em direção à Terra circulam a grande velocidade e são continuamente trazidas de volta para os polos da magnetosfera. Assim, o vento solar nunca atinge diretamente a superfície da Terra.

Essa bolha magnética abriga-nos das radiações solares. É a magnetosfera, e não os próprios cinturões de Van Allen, que assegura a proteção da Terra: os cinturões são a sua manifestação, o reservatório de partículas presas. O campo magnético age como um biombo que desvia a corrente elétrica do vento solar, que flui então para o exterior da magnetosfera. Uma exposição prolongada aos fluxos mais densos do cinturão de radiações de Van Allen pode ultrapassar os limites de dose admissíveis para o ser humano.

Os astronautas da Apollo face às radiações

Poucos homens atravessaram a magnetosfera para se encontrarem face às radiações solares: apenas os astronautas da Apollo que se dirigiram à Lua tiveram de franquear o cinturão de Van Allen. As missões Apollo seguiram trajetórias especificamente calculadas para minimizar o tempo de trânsito nas zonas mais intensas, evitando tanto quanto possível o cinturão interno. Os astronautas passaram cerca de uma hora no total nas regiões mais expostas.

Segundo os dosímetros embarcados, as doses totais registadas para o conjunto das missões Apollo situavam-se entre 0,16 rad (Apollo 8) e 1,14 rad (Apollo 14) — ou seja, aproximadamente 1,6 a 11,4 milisieverts para a missão completa, não apenas a travessia dos cinturões. A título de comparação, uma TAC abdominal entrega cerca de 10 milisieverts, e o limite anual para os trabalhadores do setor nuclear em França está fixado em 20 milisieverts. O módulo de comando da Apollo, com o seu casco de alumínio e aço inoxidável, oferecia uma blindagem suficiente para manter essas doses bem abaixo dos limiares de perigo imediato.