CINTURÕES DE RADIAÇÃO DE VAN ALLEN, UM BREVE RELATO - PROFESSOR ANGELO LEITHOLD PY5AAL, Notas de aula de Astrofísica

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PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD – NOTAS DE AULA

CINTURÕES DE RADIAÇÃO DE VAN ALLEN, UM BREVE RELATO

CURITIBA, 2019

O trabalho CINTURÕES DE RADIAÇÃO DE VAN ALLEN de ANGELO ANTONIO LEITHOLD está licenciado com uma Licença Creative Commons - Atribuição-NãoComercial- CompartilhaIgual 4.0 Internacional.Baseado no trabalho disponível em https://sites.google .com/site/vanallenradiationbelts/.Podem estar disponíveis autorizações adicionais às concedidas no âmbito desta licença em https://sites.google.com/site/angeloleitholdpy5aal/.©2010 Angelo Antonio leithold - Oneide José Pereira - Instituto de Aeronáutica e Espaço www.iae.cta.br - Faculdades Integradas Espirita- Convênio - 2002-2012- Plano Trabalho Progr Cientifico Download CTA PLANO DE TRABALHO nov 2006.pdf Download - INSTITUTO DE FÍSICA ASTRONOMIA E CIÊNCIAS DO ESPAÇO - IFAE Convênio 2006-2012 © 2010 Angelo Antonio Leithold - Oneide José Pereira - revisado abril de 2020 ÍNDICE ENSINO PESQUISAS LATTES BIBLIOTECA CITAÇÕES UTFPR UEPG IAE IFAE FIES Anomalia Magnética do Atlântico Sul

INTRODUÇÃO

#PY5AAL Se pode dizer que a região Van Allen é uma zona de partículas energéticas carregadas , a maioria das quais se origina do vento solar , que são capturadas e mantidas em torno de um planeta pelo campo magnético desse planeta. A Terra tem dois desses cintos e, às vezes, outros aparecem temporariamente. A descoberta dos cintos é creditada a James Van Allen e, como resultado, os cintos da Terra são conhecidos como cintos de Van Allen. Os dois principais cinturões da Terra se estendem de uma altitude de 640 a 58.000 km acima da superfície em que a radiação da região os níveis variam. Pensa-se que a maioria das partículas que formam os cintos provém do vento solar e de outras partículas pelos raios cósmicos. Ao prender o vento solar, o campo magnético desvia essas partículas energéticas e protege a atmosfera da destruição. Os cintos estão localizados na região interna da magnetosfera da Terra. Os cintos prendem elétrons e prótons energéticos. Outros núcleos, como partículas alfa , são menos prevalentes. Os cintos colocam em risco os satélites , que devem ter seus componentes sensíveis protegidos com blindagem adequada se eles passarem um tempo significativo perto dessa zona. Em 2013, a NASA informou que as Sondas Van Allen descobriram um terceiro cinto de radiação transitório, que foi observado por quatro semanas até ser destruído por uma poderosa onda de choque interplanetária do Sol.

DESCOBERTA

#PY5AAL Quanto à descoberta dos Cinturões de Radiação, Kristian Birkeland , Carl Størmer e Nicholas Christofilos haviam investigado a possibilidade de partículas carregadas presas antes da Era Espacial. O Explorer 1 e o Explorer 3 confirmaram a existência do cinto no início de 1958, sob James Van Allen, na Universidade de Iowa. A radiação capturada foi mapeada pela primeira vez pelo Explorer 4 , Pioneer 3 e Luna 1. O termo cinturões de Van Allen refere-se especificamente aos cinturões de radiação ao redor da Terra, no entanto, cintos de radiação semelhantes foram descobertos em torno de outros planetas. O Sol não suporta cinturões de radiação de longo prazo, pois não possui um campo dipolo global e estável. A atmosfera da Terra limita partículas para regiões acima 200- 1000 Km, enquanto que os cinturões não se estendem para além 8 Terras de raio. Os cinturões, também chamados de cintos, estão confinados a um volume que se estende por cerca de 65° em ambos os lados do equador celeste. A missão da NASA Van Allen Probes visa entender (ao ponto da previsibilidade) como as populações de elétrons e íons relativísticos no espaço se formam ou se alteram em resposta a mudanças na atividade solar e no vento solar. Estudos financiados pela NASA propuseram ''conchas magnéticas'' para coletar antimatéria que ocorre naturalmente nos cinturões, embora apenas cerca de 10 microgramas de antiprótons existam em todo o cinturão.. #py5aal A missão Van Allen Probes foi lançada com sucesso em 30 de agosto de 2012. A missão principal está programada para durar dois anos, com os gastos previstos para durar quatro. O Goddard A confirmação de sua existência se

CAMPO MAGNÉTICO DA TERRA

c) py5aal A Terra é cercada por um campo magnético, a magnetosfera, que é gerada pelo efeito dínamo que ocorre em seu interior, onde metais líquidos bons condutores são mantidos em movimento pelas forças de convecção devida troca de calor, das forças de Coriolis, forças centrífugas e gravitação, entre outros efeitos. Pode-se dizer que a massa interna do Planeta se comporta como enrolamentos de uma bobina de um dínamo, e que geram campos elétrico e magnético quando movida. Magnetosfera da Terra (Fonte: NASA) (c) py5aal As massas do núcleo da Terra são as principais responsáveis pela existência do campo magnético do planeta. Sem ele, a bússola não funcionaria,

não haveria auroras, nem estaríamos protegidos das radiações provindas do espaço cujas partículas de alta energia não seriam deflexionadas, neutralizadas, ou capturadas pelos dois cinturões (Van Allen) [3] que blindam a Terra contra as altas energias provindas do Cosmos e do Sol. Estes, descobertos pelo primeiro satélite norte-americano, o Explorer 1, lançado em 1958. O campo magnético da terra não é completamente simétrico, pode ser representado como um ímã compacto que não está centrado, mas possui uma determinada distância em relação ao centro geométrico, o que lhe causa uma espécie de excentricidade. Assim, existe uma região mais distante “do ímã fonte” onde o campo é forte, e uma região onde é relativamente fraco. As partículas, por esta razão, não alcançam a atmosfera na região de maior intensidade onde são repelidas ou capturadas pelo campo magnético forte. Na região do campo fraco ocorre uma situação anômala da altitude e da intensidade do campo permite que partículas de alta energia “caiam” na superfície da Terra. Os cinturões descritos acima, são chamados de “Cinturões de Radiação de Van Allen” cercam a Terra em forma de dois toróides que mergulham nos Pólos magnéticos. Em 1958 o satélite de exploração espacial, o Explorer I dotado de um contador Geiger detectou radiação na órbita da Terra. Esta consiste de elétrons e prótons, com energias altíssimas, entre 1 e 100 milhões de elétron-volts. A esta região foi dado o nome de Cinturão de Radiação Van Allen. Na verdade ela se divide em dois cinturões. Os dois cinturões de Van Allen, em geral, não estão presentes nos pólos, tem a forma de forma duas capas que envolvem a Terra sendo mais espessas no Equador.

Acima: Radiação nos cinturões de Van Allen Fonte NASA Os prótons no cinturão externo são muito menos energéticos do que os do mais interno. Não existe uma delimitação entre o cinturão interno e o externo, eles se fundem em altitudes que variam. Quando a atividade solar é intensa, partículas eletricamente carregadas rompem os cinturões, estas ao atingir a alta atmosfera produzem os fenômenos de auroras polares e as tempestades magnéticas. Contudo, muitas partículas são refletidas de volta para o espaço ao longo do campo magnético terrestre.A atmosfera da Terra limita as partículas energéticas das regiões Van Allen entre 200 a 1.000 km aproximadamente, conforme já descrito anteriormente, o campo dos cinturões não se estende além de 7 raios terrestres de distância, e seus limites estão restritos a uma área que de

aproximadamente 65° do equador celeste.A presença de um cinto de radiação já tinha sido teorizada por Nicholas Christofilos antes das primeiras prospecções realizadas por satélites na alta atmosfera terrestre. Acima: Distribuição das cargas/partículas nos Cintos de Radiação (Fonte: NASA)

A teoria inicial proposta em 2014 era que, devido à inclinação no eixo do campo magnético da Terra, a rotação do planeta gerava um campo elétrico fraco e oscilante que permeia toda a faixa de radiação interna. Um estudo de 2016 concluiu que as listras de zebra eram uma impressão dos ventos ionosféricos nos cintos de radiação. CINTURÃO EXTERNO #py5aal O cinturão externo consiste principalmente de elétrons de alta energia (0,1–10 MeV ) presos pela magnetosfera da Terra. É mais variável que o cinturão interno, pois é mais facilmente influenciado pela atividade solar. É quase toroidal em forma, começando a uma altitude de três e estendendo-se para 10 raios Terra, ou de 13.000 a 60.000 quilómetros acima da superfície. Sua maior intensidade é geralmente em torno de 4 a 5 raios terrestres. A camada de radiação eletrônica externa é produzida principalmente pela difusão radial interna e aceleração local devido à transferência de energia das ondas de plasma. Os elétrons dos cinturões também são constantemente removidos por colisões com a atmosfera da Terra, perdas na magnetopausa e sua difusão radial externa. A quantidade de prótons energéticos seria grande o suficiente para entrar em contato com a atmosfera da Terra. Dentro deste cinturão, os elétrons têm um alto fluxo e na borda externa (perto da magnetopausa), onde as linhas do campo geomagnético se abrem na "cauda" geomagnética , o fluxo de elétrons energéticos pode cair para os baixos níveis interplanetários em cerca de 100 km, uma redução de um fator de 1.000.

Em 2014, descobriu-se que a borda interna da faixa externa é caracterizada por uma transição muito acentuada, abaixo da qual elétrons altamente relativísticos (> 5MeV) não conseguem penetrar. A razão para esse comportamento tipo escudo não é bem compreendida. #py5aal A população de partículas retidas na faixa externa é variada, contendo elétrons e vários íons. A maioria dos íons está na forma de prótons energéticos, mas uma certa porcentagem são partículas alfa e íons O + , semelhantes aos da ionosfera, mas são muito mais energéticos. Essa mistura de íons sugere que as partículas da corrente do anel provavelmente provêm de mais de uma fonte. #py5aal A faixa externa é maior que a faixa interna e sua população de partículas flutua amplamente. Os fluxos de partículas energéticas (radiação) podem aumentar e diminuir drasticamente em resposta a tempestades geomagnéticas , que são desencadeadas por distúrbios no campo magnético e no plasma produzidos pelo Sol. Os aumentos são devidos a injeções relacionadas a tempestades e aceleração de partículas da cauda da magnetosfera. #py5aal Em 28 de fevereiro de 2013 , foi descoberto um terceiro cinturão de radiação, consistindo de partículas carregadas ultrarelativistas de alta energia. Em uma coletiva de imprensa da equipe Van Allen Probe da NASA, foi declarado que este terceiro cinturão é um produto da ejeção de massa coronal do Sol. Ele foi representado como uma criação separada que divide a Correia Externa, como uma faca, no lado externo, e existe separadamente como um recipiente de armazenamento de partículas por um mês, antes de se fundir novamente com a Correia Externa.

nas correias. Há uma razão para essa discrepância: a densidade do fluxo e a localização do pico de fluxo são variáveis, dependendo principalmente da atividade solar, e o número de naves espaciais com instrumentos observando a correia em tempo real foi limitado. A Terra não sofreu uma tempestade solar de intensidade e duração de eventos de Carrington , enquanto naves espaciais com os instrumentos adequados estavam disponíveis para observar o evento. Os níveis de radiação nos cintos seriam perigosos para os seres humanos se fossem expostos por um longo período de tempo. As missões Apollo minimizavam os riscos para os astronautas, enviando naves espaciais em alta velocidade pelas áreas mais finas dos cintos superiores, ignorando completamente os cinturões internos, exceto a missão Apollo 14, onde a espaçonave viajava através do coração dos cinturões de radiação. ANTIMATÉRIA #PY5AAL Em 2011, um estudo da NASA confirmou especulações anteriores de que o cinto de Van Allen poderia confinar antipartículas. O experimento de carga útil para exploração de matéria de antimatéria e astrofísica de núcleos de luz (PAMELA) detectou níveis de ordens de magnitude de antiprótons maiores que o esperado em decaimentos normais de partículas ao passar pela anomalia do Atlântico Sul. Isso sugere que os cinturões de Van Allen confinam um fluxo significativo de antiprótons produzido pela interação da atmosfera superior da Terra com os raios cósmicos. A energia dos antiprótons foi medida na faixa de 60 a 750 MeV. Uma pesquisa financiada pelo Instituto de Estudos Avançados da NASA

concluiu que o aproveitamento desses antiprótons para propulsão de naves espaciais seria viável. Os pesquisadores acreditavam que essa abordagem teria vantagens sobre a geração de antiprótons no CERN, porque a coleta das partículas in situ elimina as perdas e os custos de transporte. #PY5AAL Júpiter e Saturno também são fontes possíveis, mas o cinturão da Terra é o mais produtivo. Júpiter é menos produtivo do que o esperado devido à blindagem magnética dos raios cósmicos de grande parte de sua atmosfera. Em 2019, a CMS anunciou que a construção de um dispositivo capaz de coletar essas partículas já começou. A NASA usará este dispositivo para coletar essas partículas e transportá-las para institutos em todo o mundo para um exame mais aprofundado. Esses chamados "contêineres de antimatéria" também poderiam ser utilizados para fins industriais no futuro. VIAGENS ESPACIAIS #PY5AAL As naves espaciais que viajam além da órbita baixa da Terra entram na zona de radiação dos cinturões de Van Allen. Além dos cintos, elas enfrentam riscos adicionais de raios cósmicos e eventos de partículas solares. Uma região entre as correias interna e externa de Van Allen fica de dois a quatro raios terrestres e às vezes é chamada de "zona segura". As células solares , circuitos integrados e sensores podem ser danificados pela radiação. Tempestades geomagnéticas ocasionalmente danificam componentes eletrônicos nas espaçonaves. A miniaturização e a digitalização dos circuitos eletrônicos e lógicos tornaram os satélites mais vulneráveis à radiação, pois a carga elétrica total

CONCLUSÃO

#PY5AAL Entende-se que os cinturões de Van Allen resultam de diferentes processos. O cinturão interno, constituído principalmente por prótons energéticos, é o produto da decomposição dos chamados nêutrons " albedo ", que são o resultado de colisões de raios cósmicos na atmosfera superior. A correia externa consiste principalmente de elétrons. Eles são injetados a partir da cauda geomagnética após tempestades geomagnéticas e são subsequentemente energizados através de interações onda-partícula. No cinturão interno, as partículas originárias do Sol ficam presas no campo magnético da Terra. As partículas espiralam ao longo das linhas magnéticas do fluxo à medida que se movem "longitudinalmente" ao longo dessas linhas. À medida que as partículas se movem em direção aos polos, a densidade da linha do campo magnético aumenta e sua velocidade "longitudinal" é mais lenta e pode ser revertida, refletindo a partícula e fazendo com que eles se movimentem entre os polos da Terra. Além da espiral e movimento ao longo das linhas de fluxo, os elétrons se movem lentamente na direção leste, enquanto os íons se movem para oeste. O espaço entre as correias interna e externa de Van Allen, às vezes denominada zona segura ou slot seguro, é causado pelas ondas de frequência muito baixa (VLF), que dispersam as partículas no ângulo de inclinação, resultando no ganho de partículas na atmosfera. As explosões solares podem bombear partículas para o espaço, mas drenam novamente em questão de dias. Ondas de rádio são geradas pela turbulência nos cinturões de radiação, mas um trabalho recente de James L. Green, do Goddard Space Flight Center, comparando mapas de

atividade de raios coletados pela sonda Microlab 1 com dados sobre ondas de rádio na radiação sugere que eles são realmente gerados por raios na atmosfera da Terra. As ondas de rádio atingem a ionosfera no ângulo correto para passar apenas em altas latitudes, onde as extremidades inferiores do intervalo se aproximam da atmosfera superior. Esses resultados ainda estão em debate científico.