Faixas gigantes em forma de donut de partículas carregadas magneticamente e altamente energéticas circundam a Terra

Duas faixas gigantes de radiação, conhecidas como cinturões de Van Allen, ao redor da Terra foram descobertas em 1958. Em 2012, observações das sondas de Van Allen mostraram que um terceiro cinturão às vezes pode aparecer. A radiação é mostrada aqui em amarelo, com o verde representando os espaços entre os cinturões. Crédito da imagem: NASA / Van Allen Probes / Goddard Space Flight Center

James Van Allen, físico da Universidade de Iowa, descobriu esses cinturões de radiação em 1958, após o lançamento do Explorer 1, o primeiro satélite dos Estados Unidos. Os cinturões de radiação foram eventualmente nomeados em sua homenagem.

O experimento de Van Allen no Explorer 1, lançado em 31 de janeiro de 1958, tinha um experimento simples de raios cósmicos que consistia em um contador Geiger (um dispositivo que detecta radiação) e um gravador. Experimentos de acompanhamento em três outras missões em 1958 - Explorer 3, Explorer 4 e Pioneer 3 - estabeleceram que havia dois cinturões de radiação circundando a Terra.

Embora as observações tenham continuado por décadas, nosso conhecimento dos cinturões tornou-se mais aprimorado quando as sondas Van Allen foram lançadas em 2012. Elas descobriram que os cinturões eram mais complexos do que se imaginava anteriormente. As sondas mostraram que o formato dos cinturões depende de qual partícula está sendo estudada. Elas também descobriram informações sugerindo que há menos radiação do que se imaginava em certas partes dos cinturões de Van Allen, o que significa que espaçonaves e humanos não precisariam de tanta proteção contra radiação se estivessem viajando naquela região.

No 60º aniversário do Explorer 1, a NASA disse que os estudos dos cinturões de Van Allen são ainda mais importantes hoje. "Nossa tecnologia atual é cada vez mais suscetível a essas partículas aceleradas porque até mesmo um único golpe de uma partícula pode perturbar nossos instrumentos e eletrônicos cada vez menores", disse David Sibeck, cientista da missão Van Allen Probes no Goddard Space Flight Center da NASA em Maryland, em um Declaração de 2018. "Conforme a tecnologia avança, está se tornando cada vez mais urgente entender e prever nosso ambiente espacial."

Descobertas da investigação inicial

Parte do interesse pelos cinturões de Van Allen vem de onde eles estão localizados. Sabe-se que os cinturões podem inchar quando o sol fica mais ativo. Antes do lançamento das sondas, os cientistas pensavam que o cinturão interno era relativamente estável, mas quando se expandiu, sua influência se estendeu sobre a órbita da Estação Espacial Internacional e vários satélites. O cinturão externo flutuou com mais frequência. A ISS está permanentemente habitada desde 2000, com astronautas típicos que ficam lá por seis meses. Em 2015-16, o astronauta Scott Kelly da NASA e o cosmonauta russo Mikhail Kornienko permaneceram lá por quase um ano. Como os astronautas permanecem em órbita por mais tempo, sua exposição à radiação também pode aumentar, levando a preocupações sobre a habitação de longo prazo dos astronautas no espaço.

Portanto, os cientistas estão interessados em um estudo detalhado desta região. Em 2012, um novo conjunto de sondas foram lançadas. As sondas Van Allen (anteriormente conhecidas como sondas Radiation Belt Storm) têm vários objetivos científicos, incluindo descobrir como as partículas - íons e elétrons - nos cinturões são aceleradas e transportadas, como os elétrons são perdidos e como os cinturões mudam durante as tempestades geomagnéticas. A missão foi planejada para durar dois anos, mas em maio de 2018 as sondas ainda operavam com mais do dobro do tempo de vida esperado para a missão. No entanto, as reservas de combustível estão se esgotando e as sondas provavelmente serão desativadas nos próximos anos.

Normalmente, os cientistas levam alguns meses após o lançamento para calibrar seus instrumentos, mas uma equipe com do Relativistic Electron Proton Telescope pediu que seu instrumento fosse ligado quase imediatamente (três dias após o lançamento); eles queriam comparar as observações antes de outra missão, SAMPEX (Solar, Anomalous, and Magnetospheric Particle Explorer), orbitar e entrar na atmosfera da Terra.

"Foi uma decisão de sorte", disse a NASA em fevereiro de 2013, observando que uma tempestade solar já havia causado o aumento dos cinturões de radiação assim que o instrumento foi ligado. "Então aconteceu algo que ninguém nunca tinha visto antes: as partículas se acomodaram em uma nova configuração, mostrando um terceiro cinturão extra se estendendo para o espaço", acrescentou a agência. "Poucos dias após o lançamento, as Sondas Van Allen mostraram aos cientistas algo que exigiria a reescrita de livros didáticos."

Uma representação artística das duas sondas Van Allen orbitando a Terra. Crédito da imagem: JHU / APL

Escudo protetor

Os dados coletados pelas sondas também mostraram que os cinturões de radiação protegem a Terra de partículas de alta energia. "A barreira para os elétrons ultrarrápidos é uma característica notável dos cinturões", disse o autor do estudo Dan Baker, da Universidade do Colorado em Boulder, em um comunicado.

 "Podemos estudá-lo pela primeira vez, porque nunca tínhamos medições tão precisas desses elétrons de alta energia antes."

Essa nova informação ajudou os cientistas a modelar as mudanças dos cinturões. Mas havia mais informações por vir. Em janeiro de 2016, os cientistas revelaram que a forma dos cinturões depende do tipo de elétron que está sendo estudado. Isso significa que os dois cinturões são muito mais complexos; dependendo do que está sendo observado, eles podem ser um único cinturão, dois cinturões separados ou apenas um cinturão externo (sem nenhum cinturão interno).

"Os pesquisadores descobriram que o cinturão interno - o cinturão menor na imagem clássica dos cinturões - é muito maior do que o cinturão externo ao observar elétrons com baixas energias, enquanto o cinturão externo é maior ao observar elétrons em energias mais altas", escreveu a NASA na época. "Nas energias mais altas, a estrutura do cinturão interno está faltando completamente. Portanto, dependendo do que se foca, os cinturões de radiação podem parecer ter estruturas muito diferentes simultaneamente."

O que ainda é pouco compreendido, entretanto, é o que acontece quando partículas do sol atingem os cinturões durante uma tempestade geomagnética. Sabe-se que o número de elétrons nos cinturões muda, diminuindo ou aumentando conforme a situação. Além disso, os cinturões eventualmente retornam à sua forma normal depois que a tempestade passa. A NASA disse que não está claro que tipo de tempestade causará um tipo específico de configuração do cinturão. Além disso, observou a agência, quaisquer observações anteriores foram feitas apenas com elétrons em alguns níveis de energia. Mais trabalho precisa ser feito.

Felizmente, os cientistas tiveram a chance de observar uma tempestade de perto em março de 2015, quando uma das Sondas Van Allen estava situada dentro do ponto "certo" no campo magnético da Terra para ver um choque interplanetário. A NASA descreve esses choques como semelhantes a quando um tsunami é desencadeado por um terremoto; neste caso, uma ejeção de massa coronal de partículas carregadas do sol cria um choque em áreas específicas dos cinturões.

"A espaçonave mediu um pulso repentino de elétrons energizados a velocidades extremas, quase tão rápido quanto a velocidade da luz, quando o choque atingiu o cinturão de radiação externo", escreveu a NASA na época. "Essa população de elétrons teve vida curta e sua energia se dissipou em minutos.

Mas cinco dias depois, muito depois que outros processos da tempestade cessaram, as sondas de Van Allen detectaram um número maior de elétrons de energia ainda mais alta. Esse aumento muito mais tarde é um testemunho dos processos únicos de energização após a tempestade."

Em 2017, o Washington Post publicou um artigo com alguns dos sons do espaço gravados a partir de um instrumento das Sondas Van Allen, denominado Electric and Magnetic Field Instrument Suite and Integrated Science (EMFISIS). Embora os humanos não possam ouvir esses sons, porque não há meio no qual as ondas possam transportar o som a tradução desses dados foi bastante direta, escreveu o Washington Post. "As ondas eletromagnéticas estão na mesma faixa de frequência que a parte do espectro sonoro que é audível para os humanos. Foi uma questão simples traduzir essas ondas de rádio como MP3s - transformando os dados do EMFISIS em uma transmissão de rádio dos céus."

Projetando uma nave espacial melhor

As sondas Van Allen são especialmente reforçadas para resistir ao intenso ambiente radioativo dos cinturões. Algumas espaçonaves, no entanto, são mais vulneráveis, especialmente quando ocorre uma tempestade solar. Na pior das hipóteses, a espaçonave pode entrar em curto devido a uma sobrecarga elétrica. As comunicações também podem ser interrompidas. Felizmente, às vezes os instrumentos podem ser ligados ou desligados em uma espaçonave durante uma tempestade solar. 

A forma dos cinturões de Van Allen pode variar amplamente, dependendo de quão energéticos são os elétrons individuais e das condições gerais do ambiente magnético da Terra. Durante as tempestades geomagnéticas (4), todas as três regiões dos cinturões podem inchar. Crédito da imagem: NASA GODDARD / DUBERSTEIN

A radiação, é claro, também representa um risco humano. Os astronautas estão sujeitos a limites de radiações vitalícios de seu tempo no espaço, para reduzir qualquer risco de câncer. Como apenas algumas dezenas de pessoas passaram seis meses ou mais no espaço, no entanto, serão necessárias décadas para entender os efeitos de longo prazo da radiação em humanos.

Os astronautas da ISS não passam regularmente tempo dentro dos cinturões, mas de vez em quando as tempestades solares expandem os cinturões até a órbita da estação espacial. Na década de 1960, várias tripulações da Apollo passaram pelos cinturões Van Allen em seu caminho de ida e volta para a lua. Seu tempo naquela região intensiva de radiação, no entanto, foi muito curto, em parte porque a trajetória foi projetada para passar pelas partes mais finas conhecidas. Com mais estudo, os astronautas podem ser melhor protegidos para estadias de longa duração na órbita da Terra.

"Nós estudamos cinturões de radiação porque eles representam um perigo para espaçonaves e astronautas", disse David Sibeck, cientista da missão Van Allen Probes no Goddard Space Flight Center da NASA em Maryland, em um comunicado da NASA em agosto de 2016. "Se você soubesse o quão ruim a radiação pode ficar, você construiria uma espaçonave melhor para se acomodar."

Novas descobertas das sondas mostram que a radiação em certas zonas pode ser menos severa do que os cientistas pensavam. Em março de 2017, as sondas Van Allen fizeram uma descoberta mostrando que há menos radiação nos cinturões internos do que teorizado anteriormente, o que significa que menos blindagem é necessária para espaçonaves e satélites naquela região. Os elétrons mais energéticos que residem no cinturão de radiação interno e permanecem lá por menos tempo do que os cientistas pensavam anteriormente.

No ano seguinte, as sondas descobriram que alguns comprimentos de onda de comunicação (chamados de comunicações de frequência muito baixa) que emanam da Terra às vezes são uma espécie de escudo contra a radiação de partículas de alta energia no espaço. Isso significa que a atividade humana tem efeitos até mesmo no ambiente próximo ao espaço ao redor da Terra.

Em 2018, as sondas Van Allen estavam com pouco combustível posteriormente encerrando a missão nofinal de 2019. Goddard está trabalhando em uma missão CubeSat (espaçonave pequena) chamada GTOSat que continuará estudando os cinturões Van Allen.

"Esta primeira missão servirá como pioneira para novas tecnologias tolerantes à radiação que podem ajudar os cientistas a realizar um sonho há muito almejado: implantar uma constelação de pequenos satélites além da órbita baixa da Terra, para reunir medições multiponto da magnetosfera em constante mudança da Terra, que protege o planeta do ataque constante de partículas carregadas fluindo do sol", disse a NASA em maio de 2018.

Recursos adicionais:

Galeria: sondas Van Allen da NASA

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Referência: 

HOWELL, Elizabeth. Van Allen Radiation Belts: Facts & Findings. Space, 11, mai. 2018. Disponível em: <https://www.space.com/33948-van-allen-radiation-belts.html>. Acesso em: 27, jun. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.