El Sol genera las condiciones para toda la vida en la Tierra, provee de energía a los distintos sistemas en el planeta, regulando su temperatura y manteniendo los distintos procesos físicos, químicos y biológicos. Sin embargo, sin nuestro campo magnético nuestro planeta sería un objeto rocoso inerte carente de vida, debido a toda la radiación proveniente del Sol.
El campo magnético de la Tierra actúa como un escudo que desvía las partículas más energéticas. De esta manera se evita que la radiación más dañina proveniente del Sol afecte la biósfera terrestre, permitiendo así un ambiente adecuado para la vida. Sin embargo, las partículas cargadas más energéticas que conforman la radiación son forzadas a realizar movimientos alrededor de la Tierra, quedando confinadas. Esto produce una región en forma de dona en la que quedan atrapadas durante un tiempo estas partículas, generando unas estructuras que se conocen como cinturones de Van Allen o de radiación. La forma de dona, también llamada toroide, se debe a que el campo magnético de la Tierra se aproxima a un dipolo magnético y las partículas cargadas giran alrededor de las líneas del campo magnético, trazando una trayectoria helicoidal.
Los cinturones de radiación pueden representar un riesgo tanto para los satélites como para las astronautas debido a la gran energía que las partículas poseen en dichas regiones.
Tanto en la Tierra como en un dipolo, el campo magnético varía a lo largo de las líneas de campo magnético; es decir, el campo tiene un gradiente. Además, las partículas que se encuentran dentro de un campo magnético con un gradiente pueden reflejarse (en lo que se conoce como espejo magnético) e invertir la dirección de su desplazamiento. Cuando el campo magnético produce espejos magnéticos en ambos extremos las partículas cargadas pueden quedar atrapadas, por lo que se le llama trampa magnética. También, por la forma en que tiene dicho campo, se le llama botella magnética, en la que las partículas quedan confinadas y no pueden escaparse.
En un campo dipolar sucede una situación similar, de tal manera que las partículas que se reflejan quedan confinadas siguiendo las líneas de campo magnético. En la magnetósfera terrestre (estructura que se forma por la interacción del viento solar con el campo magnético terrestre) se forman dos cinturones principales: uno interno y otro externo. El cinturón interno se localiza cerca de la Tierra, a una distancia (medida sobre el ecuador) de 1.1 a 2.5 radios terrestres desde el centro del dipolo en el interior del planeta. Este cinturón se caracteriza por estar compuesto principalmente de protones muy energéticos y electrones poco energéticos.
El cinturón interno tiende a ser muy estable y poco variable ante la presencia de una tormenta magnética producto de la actividad solar. Al encontrarse cerca de la Tierra, esta se ve fuertemente influenciada por el campo magnético terrestre generado en el interior del planeta. El cinturón externo, por otro lado, se ubica entre 3.5 a 7 radios terrestres desde el centro del dipolo y se compone principalmente de electrones muy energéticos. Este al encontrarse a una distancia considerable del planeta, las partículas de esta zona son fácilmente influenciables por la actividad solar, por lo que las distancias que abarca el cinturón externo son muy variables.
Entre los cinturones de radiación existe una región en la cual la cantidad de partículas que se concentran es tan pequeña, que se considera un espacio vacío que funciona como barrera para diferenciar los cinturones interno y externo. Sin embargo, en esta zona se puede formar un tercer cinturón cuando se dan las condiciones necesarias para ello. Este tercer cinturón se genera aumenta la actividad solar, lo cual hace que las partículas del cinturón externo se trasladen a esta región vacía. Una vez que la actividad solar disminuye, las partículas van regresando al cinturón externo. Este retorno de las partículas no ocurre de manera inmediata, es un proceso que puede durar horas o días, dependiendo de la intensidad de la actividad solar.
Se mencionó anteriormente que el campo magnético de la Tierra desvía las partículas más energéticas. Sin embargo, no todas las partículas desviadas quedan confinadas en los cinturones de radiación, algunas de estas partículas pueden no reflejarse y continuar su movimiento a lo largo de las líneas de campo magnético, precipitándose a la alta atmósfera del planeta. Esta precipitación de partículas cargadas es uno de los tópicos más interesantes dentro del estudio de la magnetósfera terrestre y está relacionado a varios procesos físicos que ocurren en la magnetósfera. Uno de los más conocidos son las auroras boreales, las cuales son producto de la interacción de estas partículas cargadas con los distintos componentes de la atmósfera terrestre, liberando energía en forma de luz visible que llamamos aurora. Este interesante y espectacular tipo de fenómeno ocurre entre latitudes geográficas de 50° y 75°, tanto en el hemisferio norte como en el sur. Es en estas zonas que tanto las líneas de campo magnético como las partículas que se precipitan ingresan a la atmósfera de la Tierra debido a un aumento de la cantidad de partículas cargadas que arriban a la Tierra procedentes del Sol.
Los colores que se observan en las auroras están relacionados con los gases de la atmósfera, por lo que da información acerca de su composición y, por supuesto, también son utilizadas como indicador de la actividad solar. Por ejemplo, en el caso de que la actividad solar sea más intensa, la región en la cual se pueden observar las auroras aumenta, permitiendo que pueda ser vista en latitudes menores. Por ejemplo, en 1859 ocurrió la tormenta magnética más intensa registrada. Esta tormenta, conocida como el evento Carrington, se debió a una eyección de masa coronal muy intensa que golpeó la Tierra de forma directa. Este fenómeno generó que auroras boreales fueran observadas en ciudades como Roma o Madrid, que se encuentran en latitudes mucho más cercanas al Ecuador. De igual manera fueron visualizadas en el sur de los Estados Unidos, en estados como Florida o Texas. Incluso existen registros de que fueron observadas en Colombia, un país que se localiza muy cerca del Ecuador terrestre.
Cuando sucedió el evento Carrington, la humanidad todavía no usaba ampliamente electricidad en los hogares y los trabajos y la tecnología que depende de ella estaba lejos del nivel que actualmente manejamos. Por lo que los científicos que estudian estos fenómenos creen que, si en la actualidad ocurriera un evento de tal magnitud, las consecuencias podrían ser fatales. Muchos satélites podrían resultar fuertemente afectados, además, las redes de distribución eléctrica se podrían ver afectadas como ocurrió en 1989 en Quebec, Canadá (cuando hubo un apagón que afectó a más de 6 millones de personas por casi un día). Ante un evento similar a ese, el mundo quedaría sumido en total oscuridad debido a que las redes eléctricas serían dañadas severamente, generando que países enteros se vieran paralizados tanto social como financieramente, generando pérdidas económicas sin precedentes. Todo esto y muchos otros fenómenos relacionados con la precipitación como la interacción onda-partícula, auroras pulsantes, acoplamiento magnetósfera-ionósfera, entre muchos otros procesos, han hecho del estudio de los cinturones un área muy interesante e importante de estudio. La última misión espacial que estudió esta zona consistió de dos sondas, llamadas Van Allen que dejaron de funcionar en 2019, pero que estuvieron recopilando información por siete años, la cual se sigue estudiando al día de hoy, por lo que en los siguientes años se realizarán nuevos descubrimientos acerca de lo que ocurre ahí y de cómo afecta al ambiente espacial cercano a la Tierra. Todavía hay mucho que entender acerca de estos interesantes cinturones de radiación.
Referencia de la imagen: Lanzerotti, Louis J y Daniel N Baker (2017). «Space weather research: Earth’s radiation belts». En: Space Weather 15.6, págs. 742-745.
