Cinturones de Van Allen: la última línea de defensa planetaria

En el vasto vacío del espacio, la Tierra parece frágil: una esfera azul expuesta al bombardeo constante de partículas cargadas procedentes del Sol y del cosmos. Sin embargo, nuestro planeta no está indefenso. Más allá de la atmósfera, invisibles a los ojos humanos, se extienden dos gigantescas murallas de energía: los cinturones de radiación de Van Allen.

Descubiertos en 1958 por el físico estadounidense James Van Allen, estos cinturones conforman una de las estructuras más fascinantes del entorno terrestre. Su existencia revela una verdad profunda: la vida en la Tierra solo es posible gracias a una combinación delicada de factores, y entre ellos destaca el campo magnético, que actúa como un escudo natural frente a las inclemencias estelares.

Los cinturones de Van Allen son, en esencia, regiones donde el campo magnético terrestre atrapa electrones y protones de alta energía, creando anillos de radiación que rodean el planeta. Aunque puedan parecer hostiles —y lo son, pues representan un entorno letal para cualquier astronauta o satélite—, su papel es crucial: sin ellos, la atmósfera terrestre se erosionaría lentamente y la radiación cósmica llegaría con plena intensidad a la superficie.

Son, literalmente, la última línea de defensa planetaria, el escudo invisible que separa a la Tierra de la violencia del espacio.

Se podría decir que en cierto sentido la Tierra está dentro de la atmósfera solar. El Sol no termina en su superficie visible (la fotosfera, a unos 5800 K), ya que por encima hay varios estratos de su atmósfera:

• Cromosfera (~2000–20 000 km sobre la fotosfera).
• Corona solar: una capa extremadamente caliente (1–2 millones de K) que se extiende millones de kilómetros hacia el espacio.
• Viento solar: un flujo continuo de partículas (protones, electrones, iones) que se escapan de la corona y llenan el Sistema Solar.

Capas solares. Crédito: https://es.wikipedia.org/wiki/Sol#/media/Archivo:Afiche_del_sol.svg

Por lo tanto, la heliosfera es una vasta burbuja de plasma y campos magnéticos generada por el viento solar emitidas por el Sol. Esta burbuja envuelve completamente al Sistema Solar y actúa como una especie de escudo frente a gran parte de la radiación cósmica procedente del medio interestelar.

Sus límites principales son:

• Heliopausa: la frontera exterior de la heliosfera, donde la presión del viento solar se equilibra con la del medio interestelar.
• Choque de terminación: una región más interna donde el viento solar se desacelera bruscamente al interactuar con el medio interestelar.

Entonces, ¿dónde está la Tierra?

La Tierra orbita a 1 unidad astronómica (1 UA = 150 millones de km) del Sol, dentro de esa corriente de plasma conocida como viento solar. Ese viento es técnicamente parte de la atmósfera exterior del Sol, expandida hasta más allá de la órbita de Plutón. De hecho, el límite de la atmósfera solar se suele tomar donde el viento solar se frena por el medio interestelar: la heliopausa, a unas 120 UA del Sol.

Un diagrama mostrando la extensión exterior de la heliosfera, la nube de Oort, y afuera de Alfa Centauri en una escala logarítmica de un millón de UA. Crédito: NASA

Aquí en formato horizontal

Heliosfera

Hasta la fecha, solo cinco sondas espaciales construidas por el ser humano han llegado a las regiones más externas de la heliosfera, y dos de ellas han cruzado definitivamente su límite, la heliopausa, adentrándose en el espacio interestelar. Son las siguientes:

Sondas que han salido de la heliosfera:

1. Voyager 1 (NASA, lanzada en 1977)
   • Cruzó la heliopausa en agosto de 2012, convirtiéndose en el primer objeto humano en alcanzar el espacio interestelar.
   • Actualmente sigue enviando datos, aunque con energía cada vez más limitada.
   • Distancia actual (2025): más de 24 000 millones de km del Sol (~160 UA).
2. Voyager 2 (NASA, lanzada también en 1977)
   • Atravesó la heliopausa en noviembre de 2018, en una región diferente a la de Voyager 1, lo que permitió comparar las condiciones del borde de la heliosfera.
   • También continúa operativa a baja potencia.
   • Distancia actual (2025): alrededor de 20 000 millones de km (~133 UA).

Sondas que aún están dentro de la heliosfera, pero se dirigen hacia el borde:

3. Pioneer 10 (NASA, 1972)
   • Fue la primera sonda en atravesar el cinturón de asteroides y visitar Júpiter.
   • Su contacto se perdió en 2003.
   • Se estima que todavía no ha salido oficialmente de la heliosfera, aunque se encuentra cerca de su límite.
4. Pioneer 11 (NASA, 1973)
   • Visitó Júpiter y Saturno.
   • Se perdió contacto en 1995.
   • Está también en las regiones externas, pero dentro de la heliosfera.
5. New Horizons (NASA, 2006)
   • Visitó Plutón en 2015 y continúa su trayecto hacia el exterior.
   • Actualmente se encuentra a más de 60 UA del Sol, aún dentro de la heliosfera, y tardará varias décadas en llegar a la heliopausa.

Animación conceptual de la heliosfera. Crédito: NASA

Flota de heliofísica de la NASA. Crédito: NASA

Los cinturones de Van Allen, son zonas toroidales (en forma de anillo o donut) alrededor de la Tierra donde se encuentran atrapadas partículas cargadas de alta energía —principalmente protones y electrones— por el campo magnético terrestre.

Actúan como una barrera protectora natural dentro de la magnetosfera, atrapando y desviando las partículas cargadas de alta energía que provienen principalmente del viento solar (emanado constantemente por el Sol), así como de los rayos cósmicos galácticos (protones y núcleos pesados provenientes de fuera del Sistema Solar). Estas partículas, si alcanzaran directamente la atmósfera y la superficie, serían extremadamente dañinas.

Mecanismo físico

El campo magnético terrestre actúa como una trampa magnética. Las partículas cargadas se mueven en espiral alrededor de las líneas del campo magnético y quedan reflejadas entre los polos magnéticos, rebotando una y otra vez entre ambos hemisferios. Así, las partículas permanecen confinadas en regiones estables, formando los cinturones.

Precauciones

Por otro lado, conviene tomar precauciones cuando se desarrollan misiones espaciales. Las células solares, los circuitos integrados y los sensores son susceptibles a sufrir daños por la radiación. Las tormentas geomagnéticas pueden afectar los sistemas electrónicos de las naves espaciales, deteriorando ocasionalmente sus componentes. La creciente miniaturización y digitalización de la electrónica ha incrementado la vulnerabilidad de los satélites frente a la radiación, ya que la carga eléctrica total de los circuitos es tan pequeña que puede ser comparable con la de los iones incidentes. Por ello, los sistemas electrónicos de los satélites deben diseñarse con protección frente a la radiación para garantizar su funcionamiento fiable. El Telescopio Espacial Hubble, al igual que otros satélites, suele apagar sus sensores al atravesar zonas con altos niveles de radiación. Un satélite protegido con una capa de 3 mm de aluminio, situado en una órbita elíptica de 322 × 32 187 km que cruza los cinturones de radiación, puede recibir aproximadamente 2500 rem (25 Sv) anuales; una dosis de 5 Sv en todo el cuerpo sería letal. La mayor parte de esta radiación se acumula al atravesar el cinturón interior.

Las misiones Apolo fueron las únicas en las que seres humanos atravesaron los cinturones de radiación de Van Allen, uno de los principales riesgos radiológicos que los planificadores de la misión debieron tener en cuenta. Sin embargo, la exposición de los astronautas fue reducida, ya que el tiempo que permanecieron dentro de los cinturones fue muy breve.

Existen principalmente dos cinturones (aunque se ha detectado ocasionalmente un tercero transitorio):

1. Cinturón interno
   • Altitud: ~1 000 a 12 000 km sobre la superficie terrestre.
   • Predominan: protones de alta energía (hasta cientos de MeV).
   • Origen: productos de la desintegración beta de neutrones generados por rayos cósmicos al chocar con la atmósfera.
2. Cinturón externo
   • Altitud: ~13 000 a 60 000 km.
   • Predominan: electrones de alta energía (hasta varios MeV).
   • Origen: viento solar y fenómenos de interacción magnetosférica. Es más variable que el cinturón interior, ya que se ve más fácilmente influenciado por la actividad solar.
3. (Ocasional) Tercer cinturón transitorio
   • Observado en 2013 por el satélite Van Allen Probes.
   • Puede formarse y desaparecer en cuestión de días, asociado a tormentas geomagnéticas intensas.

Sección de dos cinturones de radiación alrededor de la Tierra: el cinturón interior (rojo) dominado por protones y el exterior (azul) por electrones. Crédito: NASA

Se acepta en general que los cinturones de radiación interno y externo de Van Allen se originan por mecanismos distintos:

• El cinturón interno está formado principalmente por protones energéticos generados a partir de la desintegración de neutrones, los cuales se producen cuando los rayos cósmicos colisionan con la atmósfera superior.
• En cambio, el cinturón externo está compuesto sobre todo por electrones, que son inyectados desde la cola magnética terrestre tras tormentas geomagnéticas y posteriormente adquieren energía mediante interacciones onda-partícula.

En el cinturón interno, las partículas procedentes del Sol quedan atrapadas por el campo magnético terrestre. Estas partículas giran en espiral alrededor de las líneas de flujo magnético mientras se desplazan a lo largo de ellas. Al acercarse a los polos, la densidad de las líneas aumenta, lo que reduce su velocidad longitudinal e incluso puede invertir su dirección, haciéndolas rebotar de nuevo hacia el ecuador. De este modo, las partículas oscilan repetidamente entre los polos de la Tierra. Además de este movimiento en espiral y de rebote, los electrones se desplazan lentamente hacia el este, mientras que los protones lo hacen hacia el oeste.

El espacio que separa los cinturones interno y externo se conoce como “zona segura” o “ranura segura” y coincide con la región donde se sitúan las órbitas medias terrestres. Esta brecha se debe a la acción de ondas de radio de muy baja frecuencia (VLF), que dispersan las partículas y las hacen precipitar en la atmósfera, incorporando nuevos iones. Aunque las erupciones solares pueden inyectar partículas en esta región, éstas suelen desaparecer en pocos días.

Esquema de los cinturones de Van Allen . Crédito: NASA

• Atrapamiento de partículas
  Las partículas cargadas (electrones y protones) quedan confinadas por el campo magnético, moviéndose en espiral a lo largo de sus líneas de fuerza y rebotando entre los polos. Esto reduce drásticamente la cantidad de radiación que llega a las capas bajas de la atmósfera.
• Disipación de energía
  Parte de la energía de las partículas se pierde por interacción con las ondas electromagnéticas dentro de la magnetosfera.
• Formación de auroras
  Una fracción pequeña de partículas sí logra canalizarse hacia las regiones polares, donde interactúa con la atmósfera superior, creando las auroras boreales y australes.

Si la Tierra no tuviera sus cinturones de Van Allen ni su campo magnético, las consecuencias serían muy graves:

1. Atmósfera erosionada:
   El viento solar arrastraría lentamente las capas superiores de la atmósfera, como ha ocurrido en Marte, que perdió la mayor parte de su atmósfera al carecer de un campo magnético global.
2. Alta radiación en superficie:
   Los niveles de radiación ionizante serían mucho mayores, aumentando el riesgo de mutaciones genéticas, cáncer y daño celular para la vida terrestre.
3. Destrucción de electrónica espacial:
   Satélites y naves espaciales sufrirían averías por radiación, errores en microchips y degradación de materiales.
4. Amenaza para astronautas:
   Las misiones tripuladas fuera de la magnetosfera (como hacia la Luna o Marte) se verían altamente expuestas a dosis letales de radiación.

En resumen, los cinturones de Van Allen y el campo magnético terrestre funcionan como un escudo invisible que permite que la vida y la atmósfera terrestre existan tal como las conocemos. Sin ellos, la Tierra sería mucho más parecida a Marte: árida, fría y con una radiación superficial incompatible con la vida.

Los cinturones de Van Allen y las auroras polares están estrechamente relacionados, porque ambos fenómenos surgen de la interacción entre el viento solar y el campo magnético terrestre.

Cuando este viento alcanza la magnetosfera terrestre, parte de las partículas quedan atrapadas en los cinturones de Van Allen, pero otra parte logra penetrar más profundamente a lo largo de las líneas del campo magnético, especialmente cerca de los polos.

El papel del campo magnético

Las líneas del campo magnético terrestre emergen cerca del polo sur magnético y convergen en el polo norte magnético. Estas líneas actúan como “túneles” que canalizan las partículas cargadas hacia la alta atmósfera polar (a unos 100–400 km de altitud).

Formación de las auroras

Cuando los electrones y protones energéticos (procedentes del viento solar y en parte de los cinturones de Van Allen) impactan con los átomos y moléculas de la ionosfera (principalmente oxígeno y nitrógeno), producen:

• Excitación electrónica: los átomos y moléculas absorben energía.
• Emisión de luz: al relajarse, liberan esa energía en forma de fotones visibles, generando los brillantes colores de las auroras boreales (hemisferio norte) y australes (hemisferio sur).

Colores típicos

Relación directa con los cinturones de Van Allen

Durante tormentas geomagnéticas intensas, el viento solar comprime la magnetosfera y modifica los cinturones de Van Allen, inyectando nuevas partículas energéticas.

Parte de esas partículas se precipitan hacia las regiones polares, alimentando las auroras. Así, las auroras son una manifestación visible de la misma dinámica energética que mantiene los cinturones de radiación.

Magnetosfera de la Tierra desviando las partículas solares cargadas (líneas amarillas) hacia lo polos, donde forman las auroras. Crédito: NASA

Aurora austral en la Antártida

Imagen de una aurora austral en torno a la Antártida fotografiada desde un satélite de la NASA. Crédito: NASA

Este fenómeno no es exclusivo de la Tierra, Júpiter y Saturno, cuyos campos magnéticos son más intensos que los de la Tierra, también experimentan comportamientos similares. Urano y Neptuno también cuentan con cinturones de radiación.

Auroras observadas en el UV en Júpiter. Crédito: NASA

En efecto, cuando la Tierra pierda su actividad en el núcleo, acabará perdiendo los cinturones de Van Allen, aunque no de forma inmediata, sino a través de un proceso gradual que afectaría al campo magnético terrestre.

El campo magnético terrestre se genera por el efecto dinamo en el núcleo externo, que está compuesto principalmente de hierro y níquel fundidos.
El movimiento convectivo de ese metal líquido, combinado con la rotación del planeta, produce corrientes eléctricas, y estas generan el campo magnético global de la Tierra.

Núcleo líquido → corrientes eléctricas → campo magnético → cinturones de Van Allen

Por tanto, los cinturones de Van Allen existen gracias al campo magnético que atrapa las partículas cargadas del viento solar.

¿Qué pasaría si el núcleo se enfría?

Si el núcleo externo se solidificara y la convección cesara, el efecto dinamo se detendría. Esto tendría consecuencias en cadena:

1. Desaparición del campo magnético global.
   Solo quedarían pequeños campos locales (remanentes en la corteza).
2. Colapso de la magnetosfera.
   Sin un campo que desvíe el viento solar, la magnetosfera desaparecería o quedaría muy debilitada.
3. Desaparición de los cinturones de Van Allen.
   Al no haber líneas de campo que confinen las partículas cargadas, los cinturones se disiparían en el espacio en cuestión de días o semanas.

Consecuencias

• Aumento extremo de radiación en la atmósfera superior.
• Erosión progresiva de la atmósfera, al ser arrastrada por el viento solar (igual que en Marte).
• Desaparición de la protección biológica y tecnológica, haciendo la superficie más hostil para la vida. Fallos en satélites y redes eléctricas.

Crónica de una muerte anunciada: Marte

Marte perdió su efecto dinamo hace miles de millones de años cuando su núcleo se enfrió. Como resultado:

• Su campo magnético global desapareció,
• el viento solar erosionó su atmósfera,
• y el planeta se volvió árido, frío y radiactivo.

Es, de hecho, un ejemplo muy claro de lo que podría pasarle a la Tierra en el futuro lejano, dentro de miles de millones de años.

El rover Perseverance de la NASA junto a la roca apodada «Cheyava Falls», en esta selfie tomada el 23 de julio de 2024 y compuesta por 62 imágenes individuales. «Cheyava Falls», que presenta características que podrían influir en la cuestión de si el Planeta Rojo albergó vida microscópica hace mucho tiempo, se encuentra a la izquierda del rover, cerca del centro de la imagen. El pequeño agujero visible en la roca es donde Perseverance recogió la muestra del núcleo «Sapphire Canyon».
Crédito: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Sin el corazón líquido del planeta, la Tierra perdería su escudo invisible.
Los cinturones de Van Allen son, en última instancia, una manifestación del latido magnético del núcleo terrestre.

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