Rarezas de un anillo de radiación que rodea a la Tierra

En 1958, fueron descubiertos los llamados cinturones de radiación de Van Allen, una especie de “anillos” de superficie toroidal que rodean la Tierra formados por grandes cantidades de protones y electrones que se mueven en espiral, entre los polos magnéticos de nuestro planeta.

El pasado mes de febrero, un equipo de investigadores informó en la revista Science del sorprendente descubrimiento de un tercer anillo de radiación desconocido –hasta entonces se pensaba que sólo había dos-, que demostró la naturaleza dinámica y variable de dichos cinturones y mejoró la comprensión de cómo responden éstos a la actividad solar. Este conocimiento resulta importante para nuestra sociedad moderna, que depende de muchas tecnologías instaladas en el espacio: cuando los cinturones de Van Allen se ven afectados por las tormentas solares y el clima espacial, las comunicaciones y los satélites GPS, así como los seres humanos que están en el espacio, pueden correr riesgos.

Electrones a la velocidad de la luz

Ahora, una nueva investigación realizada por especialistas de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) y publicada por la revista Nature Physics, arroja nueva luz sobre el último cinturón de radiación de Van Allen detectado.

Según publica la UCLA en un comunicado, los científicos han conseguido modelar y explicar el comportamiento de este tercer anillo. Han demostrado en concreto que las partículas extremadamente energéticas que lo componen, conocidas como electrones ultrarrelativistas, se rigen por una física muy distinta a la de las partículas del cinturón de Van Allen ya observado.

"Antes, los científicos pensaban que todos los electrones de los cinturones de radiación situados alrededor de la Tierra obedecían a la misma física", explica Yuri Shprits‎, geofísico de la UCLA. "Estamos descubriendo ahora que los cinturones de radiación constituyen diferentes poblaciones impulsadas por procesos físicos muy diversos".

Para empezar, los investigadores señalan que los electrones ultrarrelativistas de este tercer anillo serían especialmente peligrosos, ya que pueden atravesar la protección de los satélites mejor protegidos y más valiosos del espacio.

Esto se debe a que "su velocidad está muy cercana a la velocidad de la luz y la energía de su movimiento es varias veces mayor que la energía contenida en su masa cuando están en reposo”, a diferencia de poblaciones con electrones con energías más bajas.

Por otra parte, Shprits y sus colaboradores también han descubierto que pulsaciones electromagnéticas de baja frecuencia que se creía eran dominantes en la aceleración y la pérdida de radiación de los electrones de los cinturones de radiación de Van Allen, no influyen en los electrones ultrarrelativistas.

Como conclusión, destacan que estos cinturones "ya no pueden ser considerados como una masa coherente de electrones. Se comportan de acuerdo con sus energías y reaccionan de maneras diversas a las perturbaciones del espacio”.

"Este estudio demuestra que existen grupos de partículas completamente diferentes en el espacio que cambian a diferentes escalas de tiempo, y que son impulsadas por diversos procesos físicos y muestran muy diferentes estructuras espaciales", concluye Shprits.

La punta del iceberg

Para alcanzar estas conclusiones, los científicos analizaron una serie de simulaciones con un modelo de los cinturones de radiación para el período comprendido entre finales de agosto de 2012 y principios de octubre de ese mismo año.

Las simulaciones, llevadas a cabo aplicando la física de electrones ultrarrelativistas y las condiciones meteorológicas espaciales registradas por estaciones terrestres, encajó extraordinariamente bien con las observaciones de los cinturones de radiación de Van Allen realizadas por las sondas gemelas Van Allen de la NASA, lo que confirma la teoría de Shprits y sus colaboradores sobre el nuevo anillo.

"Hay una coincidencia notable entre nuestro modelo y las observaciones, tanto que abarca una amplia variedad de energías", explica Dmitriy Subbotin, otro de los autores del estudio.

"Creo que, con esta investigación, hemos descubierto la punta del iceberg", afirma Shprits. "Nos queda por comprender cómo se aceleran los electrones, donde se originan y cómo varía la dinámica de los cinturones con diferentes tormentas".

Surgimiento y supervivencia

La región que los cinturones de Van Allen ocupan está situada a entre unos 1.000 y unos 50.000 kilómetros de la superficie de la Tierra, y está llena de electrones tan energéticos que se mueven casi a la velocidad de la luz.

Shprits y su equipo descubrieron que el uno de septiembre de 2012, las ondas de plasma producidas por iones que normalmente no afectan a electrones energéticos "sacaron rápidamente a electrones ultrarrelativistas del cinturón exterior casi hasta el borde interior de éste".

Sólo un estrecho anillo de electrones ultrarrelativistas sobrevivió a esta tormenta. Este remanente fue lo que formó el tercer anillo. El fenómeno fue definido entonces como un “evento de aceleración de electrones de gran alcance”. Tras él, se expandió alrededor de la Tierra una burbuja fría de plasma que protegió a las partículas de ese fino anillo de las ondas de iones, lo que permitió al anillo persistir.

Referencias bibliográficas:

D. N. Baker, S. G. Kanekal, V. C. Hoxie, M. G. Henderson, X. Li, H. E. Spence, S. R. Elkington, R. H. W. Friedel, J. Goldstein, M. K. Hudson, G. D. Reeves, R. M. Thorne, C. A. Kletzing, and S. G. Claudepierre. A Long-Lived Relativistic Electron Storage Ring Embedded in Earth's Outer Van Allen Belt. Science (2013).
DOI:10.1126/science.1233518.

Yuri Y. Shprits, Dmitriy Subbotin, Alexander Drozdov, Maria E. Usanova, Adam Kellerman, Ksenia Orlova, Daniel N. Baker, Drew L. Turner, Kyung-Chan Kim. Unusual stable trapping of the ultrarelativistic electrons in the Van Allen radiation belts. Nature Physics (2013). DOI:10.1038/nphys2760.