Astrónomos de UCLA resuelven el misterio de los electrones perdidos

Artículo publicado por Kim DeRose el 29 de enero de 2012 en UCLA

Los hallazgos favorecen los esfuerzos por predecir mejor las tormentas geomagnéticas en el espacio.

Investigadores de UCLA han explicado la desconcertante desaparición de electrones energéticos en el cinturón externo de radiación de la Tierra, usando datos recopilados por una flotilla de naves en órbita.

En un artículo publicado el 29 de enero en la edición anticipada en línea de la revista Nature Physics, el equipo demuestra que los electrones perdidos son barridos del planeta por una marea de partículas de viento solar durante los periodos de actividad solar elevada.

Cinturones de Van Allen


“Éste es un hito importante en la comprensión del entorno espacial de la Tierra”, dice el autor principal del estudio Drew Turner, investigador asistente en el Departamento de Ciencias de la Tierra y del Espacio de UCLA y miembro del Instituto de Geofísica y Física Planetaria (IGPP) también de UCLA. “Estamos un paso más cerca de comprender y predecir fenómenos del clima espacial”.

Durante los eventos de potentes llamaradas solares, tales como eyecciones de masa coronal, partes de las capas externas magnetizadas de la atmósfera solar impactan sobre el campo magnético de la Tierra, disparando tormentas geomagnéticas capaces de dañar los componentes electrónicos de las naves en órbita. Estas tormentas cósmicas tienen un efecto peculiar sobre el cinturón exterior de radiación de la Tierra, una región del espacio en forma de rosquilla llena de electrones tan energéticos que se mueven casi a la velocidad de la luz.

“Durante el inicio de una tormenta geomagnética, casi todos los electrones atrapados en el cinturón de radiación se desvanecen, regresando sólo para vengarse unas horas más tarde”, dice Vassilis Angelopoulos, Profesor en UCLA de Ciencias de la Tierra y el Espacio e investigador del IGPP.

Los electrones perdidos sorprendieron a los científicos cuando se midió dicha tendencia por primera vez en la década de 1960, usando instrumentos a bordo de las primeras naves espaciales enviadas en órbita, dice el coautor del estudio Yuri Shprits, investigador en geofísica del IGPP y los departamentos de Ciencias de la Tierra y el Espacio y Ciencias Atmosféricas y Oceánicas.

“Es un efecto desconcertante”, comenta. “Los océanos de la Tierra no pierden de pronto la mayor parte de su agua, mientras que los cinturones de radiación repletos de electrones pueden despoblarse con rapidez”.

Aún más extraño, los electrones se pierden durante el pico de una tormenta geomagnética, un momento en el que se esperaría que el cinturón de radiación estuviese repleto de partículas energéticas, debido al bombardeo extremo por parte del viento solar.

¿Dónde van los electrones? Esta pregunta ha quedado sin respuesta desde principios de la década de 1960. Algunos pensaban que los electrones se perdían en la atmósfera terrestre, mientras que otros teorizaban que los electrones no se perdían de manera permanente, sino simplemente que temporalmente perdían energía y eso hacía que pareciesen ausentes.

“Nuestro estudio de 2006 sugirió que los electrones pueden, de hecho, perderse en el medio interplanetario y frenarse al moverse hacia el exterior”, dice Shprits. “No obstante, hasta hace poco, no había una prueba definitiva de esta teoría”.

Para resolver el misterio, Turner y su equipo usaron datos de tres redes de naves orbitales posicionadas a distintas distancias de la Tierra para captar a los electrones escapistas en el momento de la huida. Los datos demostraron que aunque una pequeña cantidad de electrones energéticos perdidos caían en la atmósfera, la inmensa mayoría eran empujados hacia el planeta, arrancados del cinturón de radiación por las partículas incidentes de viento solar durante la elevada actividad solar que generó la propia tormenta magnética.

Es vital una mayor comprensión de los cinturones de radiación de la Tierra para proteger los satélites, de los que dependemos para el posicionamiento global, comunicaciones y monitorización del clima, comenta Turner. El cinturón de radiación exterior de la Tierra es un entorno de radiación extrema para naves y astronautas; los electrones de alta energía pueden penetrar en el escudo de la nave y crear problemas en su delicado equipo electrónico. Las tormentas geomagnéticas, disparadas cuando las partículas incidentes impactan en la magnetosfera de la Tierra, pueden provocar un fallo parcial o total de la nave.

“Aunque la mayor parte de satélites están diseñados con algún nivel de protección contra la radiación, los ingenieros espaciales deben depender de aproximaciones y estadísticas, debido a la falta de datos necesarios para modelar y predecir el comportamiento de los electrones de alta energía en el cinturón de radiación exterior”, dice Turner.

Durante la “Tormenta de Halloween” de 2003, se informó de errores de funcionamiento en más de 30 satélites, y uno se perdió por completo, dice Angelopoulos, coautor de la investigación actual. Conforme se aproxima el máximo solar de 2013, marcando el pico de actividad solar a lo largo de un ciclo de aproximadamente 11 años, las tormentas geomagnéticas pueden tener lugar incluso hasta varias veces por mes.

“Los electrones de alta energía pueden reducir el tiempo de vida de una nave de manera significativa”, señala Turner. “Los satélites que pasan un periodo prolongado dentro del cinturón de radiación activo podrían dejar de funcionar años antes”.

Aunque una nave mecanizada podría incluir múltiples circuitos redundantes para reducir el riesgo de fallo total durante un evento solar, los exploradores humanos en órbita no se pueden permitir el mismo lujo. Los electrones de alta energía pueden atravesar los trajes de los astronautas y suponer un serio riesgo para la salud, dice Turner.

“Como sociedad, nos hemos vuelto increíblemente dependientes de las tecnologías espaciales”, comenta. “Comprender esta población de electrones energéticos y sus extremas variaciones nos ayudará a crear modelos más precisos para predecir el efecto de las tormentas geomagnéticas en los cinturones de radiación”.

Los datos observacionales clave usados en este estudio se recopilaron mediante una red de naves de la NASA conocida como THEMIS; Angelopoulos es el investigador principal de la misión THEMIS. Se obtuvo información adicional usando dos grupos de satélites climáticos llamadas POES y GOES.

Una nueva colaboración entre UCLA y la Universidad Estatal de Moscú, en Rusia, promete mostrar una descripción aún más clara de estos electrones que desaparecen. Prevista para su lanzamiento en la primavera de 2012, la nave Lomonosov volará en la órbita baja de la Tierra para medir partículas muy energéticas con una precisión sin precedente, dice Shprits, el investigador principal del proyecto. Varios instrumentos clave para la misión están siendo desarrollados y ensamblados en UCLA.

Los cinturones de radiación de la Tierra se descubrieron en 1958 gracias al Explorer I, el primer satélite estadounidense que viajó al espacio.

“Lo que estamos estudiando fue el primer descubrimiento de la era espacial”, dice Shprits. “La gente se dio cuenta de que los lanzamientos de naves no eran simplemente noticias, también podían hacer descubrimientos científicos que eran completamente inesperados”.

Este proyecto recibió patrocinio federal procedente de NASA y la Fundación Nacional de Ciencias. Otros coautores incluyen a Michael Hartinger, estudiante graduado de UCLA en Ciencias de la Tierra y el Espacio.


Autor: Kim DeRose
Fecha Original: 29 de enero de 2012
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