Os Cinturões de Van Allen são uma coleção de partículas carregadas, reunidas no local pelo campos magnético da Terra. Eles podem aumentar e diminuir em resposta à energia vinda do Sol, às vezes aumentando o suficiente para expor satélites em órbita baixa da Terra à radiação danosa. A descoberta do dreno que atua como uma barreira dentro dos cinturões foi feita utilizando-se as Sondas Van Allen da NASA, lançadas em agosto de 2012 para estudar a região. Um artigo a respeito desses resultados foi publicado na edição de 27 de novembro de 2014 da revista Nature.
“Esta barreira para os elétrons ultrarrápidos é uma notável característica dos cinturões," disse Dan Baker, cientista espacial da Universidade do Colorado em Boulder, e primeiro autor do artigo. "Pela primeira vez, podemos estudá-lo, porque nunca antes havíamos tido tais medições precisas desses elétrons de alta energia."
A compreensão de o que dá forma aos cinturões e o que pode afetar a maneira como eles incham ou encolhem ajuda os cientistas a prever o início dessas mudanças. Tais previsões podem auxiliar os cientistas a proteger da radiação satélites na área.
Os cinturões de Van Allen foram a primeira descoberta da era espacial, medidos com o lançamento de um satélite americano, o Explorer 1, em 1958.Nas décadas que se sucederam, os cientistas aprenderam que o tamanho dos dois cinturões pode mudar – ou eles podem se fundir, e até separar-se em três cinturões ocasionalmente. Entretanto geralmente o cinturão interno se estende de 400 a 6.000 milhas acima da superfície da Terra, e o externo, de 8.400 a 36.000 milhas.
Uma fenda de espaço razoavelmente vazio normalmente separa os cinturões. Mas o que os mantém separados? Por que há uma região entre os cinturões sem elétrons?
Entre na barreira recém-descoberta. Os dados da Sondas Van Allen mostram que a borda interna do cinturão externo está,na verdade, bastante pronunciada. Para os elétrons mais velozes, de alta energia, esta borda é uma barreira bem definida que, sob circunstâncias normais, simplesmente não pode ser penetrada pelos elétrons.
"Tratando-se de elétrons realmente energéticos, eles só conseguem chegar até determinada distância da Terra," disse Shri Kanekal, o cientista substituto da missão Sondas Van Allen Probes no Centro Goddard de Voos Espaciais em Greenbelt, Maryland, EUA, e coautor do artigo publicado na Nature. "Isso é uma novidade total. Nós certamente não esperávamos."
A equipe procurou as causas possíveis. Eles determinaram que transmissões geradas pela humanidade não era a causa da barreira. Eles também procuraram causas físicas. Poderia a própria forma do campo magnético que circunda a Terra ser a causa da fronteira? Os cientistas estudaram a possibilidade, porém a eliminaram. E que tal a presença de outras partículas espaciais? Esta parece ser uma causa mais provável.
Os cinturões de radiação não são as únicas estruturas de partículas que envolvem a Terra. Uma gigantesca nuvem de partículas carregas relativamente frias, chamada plasmasfera, preenche a região mais externa da atmosfera da Terra, iniciando-se a cerca de 600 milhas acima da superfície e estendendo-se parcialmente para o o cintura externo de Van Allen. As partículas na fronteira externa da plasmasfera fazem com que as partículas do cinturão externo se espalhem, retirando-as dele.
Esse efeito de espalhamento é um tanto fraco, e pode não ser suficiente para manter no lugar os elétrons das região fronteiriça, exceto por um mistério da geometria: Os elétrons dos cinturões de radiação movem-se incrivelmente rápido, porém não na direção da Terra. Em vez disso, eles se movem em laços gigantescos ao redor da Terra. Os dados das Sondas Van Allen mostram que na direção da Terra os elétrons mais energéticos têm muito pouco movimento em geral – apenas um pequeno e lento desvio que ocorre ao longo de meses. Este é um movimento tão lento e fraco que pode ser repelido pelo espalhamento causado pela plasmasfera.
Isso também ajuda a explicar por que – sob condições extremas, quando um vento solar especialmente forte ou uma gigantesca erupção solar, como uma ejeção de massa coronal, envia nuvens de matéria para a região do espaço próxima à Terra – os elétrons do cinturão externo podem ser empurrados para região da fenda normalmente vazia existente entre os cinturões.
"O espalhamento devido à plasmapausa é forte o suficiente para criar um muro na borda externa do Cinturão de Van Allen," disse Baker. "Entretanto o evento de um forte vento solar faz com que a fronteira da plasmasfera mova-se para dentro."
Um grande fluxo de entrada de matéria vinda do Sol pode erodir a plasmasfera externa, movendo suas fronteiras para dentro e permitindo que os elétrons dos cinturões de radiação também se movam para dentro.
Tradução de Luiz Leitão
The Van Allen belts are a collection of charged particles, gathered in place by Earth’s magnetic field. They can wax and wane in response to incoming energy from the sun, sometimes swelling up enough to expose satellites in low-Earth orbit to damaging radiation. The discovery of the drain that acts as a barrier within the belts was made using NASA's Van Allen Probes, launched in August 2012 to study the region. A paper on these results appeared in the Nov. 27, 2014, issue of Nature magazine.
“This barrier for the ultra-fast electrons is a remarkable feature of the belts," said Dan Baker, a space scientist at the University of Colorado in Boulder and first author of the paper. "We're able to study it for the first time, because we never had such accurate measurements of these high-energy electrons before."
Understanding what gives the radiation belts their shape and what can affect the way they swell or shrink helps scientists predict the onset of those changes. Such predictions can help scientists protect satellites in the area from the radiation.
The Van Allen belts were the first discovery of the space age, measured with the launch of a US satellite, Explorer 1, in 1958. In the decades since, scientists have learned that the size of the two belts can change – or merge, or even separate into three belts occasionally. But generally the inner belt stretches from 400 to 6,000 miles above Earth's surface and the outer belt stretches from 8,400 to 36,000 miles above Earth's surface.
A slot of fairly empty space typically separates the belts. But, what keeps them separate? Why is there a region in between the belts with no electrons?
Enter the newly discovered barrier. The Van Allen Probes data show that the inner edge of the outer belt is, in fact, highly pronounced. For the fastest, highest-energy electrons, this edge is a sharp boundary that, under normal circumstances, the electrons simply cannot penetrate.
"When you look at really energetic electrons, they can only come to within a certain distance from Earth," said Shri Kanekal, the deputy mission scientist for the Van Allen Probes at NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland and a co-author on the Nature paper. "This is completely new. We certainly didn't expect that."
The team looked at possible causes. They determined that human-generated transmissions were not the cause of the barrier. They also looked at physical causes. Could the very shape of the magnetic field surrounding Earth cause the boundary? Scientists studied but eliminated that possibility. What about the presence of other space particles? This appears to be a more likely cause.
The radiation belts are not the only particle structures surrounding Earth. A giant cloud of relatively cool, charged particles called the plasmasphere fills the outermost region of Earth's atmosphere, beginning at about 600 miles up and extending partially into the outer Van Allen belt. The particles at the outer boundary of the plasmasphere cause particles in the outer radiation belt to scatter, removing them from the belt.
This scattering effect is fairly weak and might not be enough to keep the electrons at the boundary in place, except for a quirk of geometry: The radiation belt electrons move incredibly quickly, but not toward Earth. Instead, they move in giant loops around Earth. The Van Allen Probes data show that in the direction toward Earth, the most energetic electrons have very little motion at all – just a gentle, slow drift that occurs over the course of months. This is a movement so slow and weak that it can be rebuffed by the scattering caused by the plasmasphere.
This also helps explain why – under extreme conditions, when an especially strong solar wind or a giant solar eruption such as a coronal mass ejection sends clouds of material into near-Earth space – the electrons from the outer belt can be pushed into the usually-empty slot region between the belts.
"The scattering due to the plasmapause is strong enough to create a wall at the inner edge of the outer Van Allen Belt," said Baker. "But a strong solar wind event causes the plasmasphere boundary to move inward."
A massive inflow of matter from the sun can erode the outer plasmasphere, moving its boundaries inward and allowing electrons from the radiation belts the room to move further inward too.
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