Los electrones ultra-rápido explican el tercer anillo de radiación alrededor de Tierra

Teniendo en cuenta cómo se mueven las partículas más rápidas en los cinturones de radiación, y cómo se comportan diferentemente partículas menos energéticas, investigaciones han creado las simulaciones de los cinturones de radiación que mejor coincidan con lo que en realidad se observa. Crédito de la imagen: Y. Shprits

En la ciencia ya complicada de lo que crea – y causa constante cambio en – dos donuts gigantes de radiación que rodean la Tierra, los investigadores han añadido una nueva pieza de información: algunos de los electrones alcanzan energías tan enormes que son conducidos por un conjunto diferente de los procesos físicos. Estos resultados fueron publicados en un periódico de naturaleza física en 22 de septiembre de 2013.

Entender la naturaleza de estos cinturones de radiación y cómo se hinchan y encogen con el tiempo es una parte integral de la interpretación, y quizás algún día predecir el clima espacial que rodea nuestro planeta. Tal clima espacial puede, entre otras cosas, causar complicaciones en sistemas electrónicos a bordo de satélites que dependemos para comunicaciones y GPS.

El descubrimiento de los cinturones de radiación fue el primer descubrimiento de la era espacial, observado en 1958 . Pronto, los científicos descubrieron que las correas pueden cambiar de forma en concierto con disturbios de la entrada del Sol, a veces muy dramáticamente. En febrero de 2013, los investigadores anunciaron las observaciones de las sondas Van Allen de la NASA, mostrando una configuración no detectada anteriormente. Las correas mostraron un anillo inusualmente estrecho distinto más allá del cinturón interior que persistió durante un mes en septiembre de 2012 mientras que las partículas adicionales canalizadas en crear una tercera, más grande, correa ultraperiférica. Esta configuración previamente desconocida de tres bandas, cambió lo que previamente era entendido sobre los cinturones y el conjunto de gente en busca de nuevas explicaciones.

"Las observaciones de la sondas Van Allen  desafiaron nuestras opiniones actuales sobre la física de los cinturones de radiación,", dijo Yuri Shprits, un espacio científico en la Universidad de California en Los Angeles y primer autor del documento de naturaleza física. "En el pasado hemos hecho estimaciones que parecieron razonables. Ahora sabemos que tenemos que entender cada tormenta con mucho más detalle, creando modelos globales que puede reconstruir lo que está pasando en todos los niveles."

Así que los científicos comenzaron a trabajar en los nuevos modelos para explicar este nuevo conjunto de observaciones. Las sondas de Van Allen puede medir la más amplia gama de energías y tipos de partículas jamás observados. Por lo tanto, hubo mediciones precisas de partículas en este anillo estrecho – moviendo hasta el 99,9 por ciento de la velocidad de la luz – que podría arrojar luz sobre los procesos físicos nunca antes visto.

"Cuando empecé en Ciencias del espacio, que ni siquiera miró tales partículas energéticas, como no estábamos seguros de que podríamos confiar en las observaciones de estas energías," dijo Dmitry Subottin, coautor en el papel de la UCLA. "Las medidas de los sondeos Van Allen nos dan confianza que estas observaciones eran confiables".

Mediante la comparación de simulaciones por computadora de las correas con los datos de las sondas de Van Allen, Shprits y sus colegas determinaron que uno entiende comúnmente el método para cómo las partículas son aceleradas a altas energías, no funcionó para estas partículas ultrarrápidas. El mecanismo depende de uno de los muchos únicas y variadas olas que pueden estar presentes en un ambiente de partículas cargadas, también conocido como plasma, tal como existe en los cinturones de radiación. Olas conocidas como ondas de muy baja frecuencia, coro, se mueven por lo que pueden fácilmente buffet de partículas en las correas hasta velocidades superiores, tanto la forma que un empuje perfectamente cronometrado en un columpio aumenta su velocidad. Estas mismas olas pueden ser responsables de causar las partículas que se precipitan hacia abajo de las correas a la atmósfera. Estas ondas VLF, coro, afectan los electrones rápidos pero los electrones no ultra rápidos. Por otro lado, los electrones rápidos en los cinturones no son afectados por otra ola llamado ciclotrón del Ion electromagnético u ondas EMIC, pero este estudio mostró cuán fuertemente las ondas EMIC  pueden afectar las partículas de más rápido movimiento. De hecho, las olas EMIC pueden ayudar a agotar rápidamente las partículas más energéticas, dejando sólo un anillo estrecho de radiación protegido dentro de los límites conocidos como los plasmapause, como se ve en el evento de septiembre de 2012.

 

Otro tipo de onda VLF llamada silbido se encuentra dentro de este límite de plasmapause, y esta ola no afecta fuertemente las partículas ultrarrápidas que las sondas de Van Allen observaron que residen en el anillo estrecho persistente. Esto explica por qué el anillo estrecho era estable por un largo tiempo.

 

 

En septiembre de 2012, las sondas de la NASA Van Allen observaron que los cinturones de radiación alrededor de la Tierra se habían colocado en una nueva configuración, separándose en tres cinturones en vez de dos. Los científicos creen que la física inusual de electrones ultra rápidos dentro de la banda ayudó a la causa de la forma inusual. Crédito de la imagen: NASA/Goddard Space Flight Center

Un papel anterior en Letras geofísicas de la revisión, publicado el 28 de julio de 2013, proporcionó explicaciones similares para la persistencia del tercer anillo. Los investigadores en ese papel, conducido por Richard Thorne, quien es un científico de cinturón de radiación de la UCLA, utilizan datos de ambos la Van Allen sondas y de la misión THEMIS de la NASA para modelar sólo cuánto le tomaría a partículas de alta energía a la descomposición en presencia de una especie de onda VLF conocida como silbido plasmaspheric. El proceso podría tomar unos pocos días para las partículas más lentas, pero tomó mucho más tiempo para una energía más alta que.

"Cuanto mayor sea la energía", el más largo el tiempo de vida, dijo Thorne. "Nuestros modelos muestran que, si no pasa nada a perturbar los cinturones de radiación, los electrones de energía más altos pueden permanecer durante 100 días. En el evento de septiembre de 2013, otra tormenta apareció y ha limpiado ese anillo hacia fuera después de aproximadamente un mes, pero antes de que las partículas en el ring decayeran como predijimos."

Modelo de Thorne no incluye ondas EMIC en su explicación de por qué las partículas en el aro exterior han empobrecido tan rápido en ese evento en particular. Esto viene a demostrar cuantas preguntas quedan sobre la gran variedad de procesos y de las olas que pueden afectar diversas partículas en las correas.

"Los electrones ultra relativistas del tercer anillo tienen tanta energía que son conducidos por los procesos físicos muy diferentes," dijo Shprits. "La incorporación de que información no sólo explica la observación inusual del estrecho anillo medio longevo, se abre una nueva área de investigación para las partículas ultra relativistas."

Entendiendo que las configuraciones y entornos aceleran estas partículas extremadamente rápidas ayuda a proteger la nave espacial que viaja a través de y cerca de esta región. Nave espacial puede protegerse contra las partículas – que pueden tropezar con los sistemas electrónicos dentro de satélites – hasta una cierta velocidad de umbral, pero dichas partículas ultrarrápidoas son capaces de viajar a través de la mayoría de los escudos. Saber más sobre los cinturones de radiación y cómo diferentes poblaciones responden a las perturbaciones del Sol, puede ayudar a fabricantes de satélites ha proteger futuras naves espaciales de los efectos de los electrones dentro de los cinturones de Van Allen.

Karen C. Fox
NASA's Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Md.