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#9H. Radiación Atrapada -- Historia

    El atrapado de partículas por un campo magnético fue estudiado por primera vez por Kristian Birkeland en Noruega, comenzando alrededor del año 1895. Birkeland apuntó haces de electrones (llamados en aquellos tiempos "rayos catódicos") hacia una esfera imantada o "terrella" situada dentro de una cámara de vacío y observó que parecían canalizarse hacia los polos magnéticos. Requirió la ayuda de su antiguo profesor, el renombrado matemático francés Henri Poincaré, para examinar su movimiento. Poincaré logró resolver el problema del movimiento de partículas cargadas cerca de un polo magnético aislado, mostrando que se movían en espiral alrededor de las líneas del campo y que eran repelidas por las regiones con un campo fuerte.

Cálculos de Stoermer 

    Un campo magnético aislado es una abstracción matemática. Un problema más realista, de más interés para Birkeland, era el movimiento de la partícula cerca de una barra magnética o "dipolo", que se aproximaba mejor al campo de la Tierra o de su terrella. Sugirió su problema a un amigo, el matemático Carl Stoermer, que le dedicó una gran parte de su carrera. Stoemer nunca encontró una solución completa, una fórmula que predijera el movimiento de la partícula en todo momento, al igual que la fórmula para el movimiento de un único planeta alrededor de un sol aislado. De hecho, no existe en términos matemáticos convencionales, debido a que el movimiento es complicado (en términos actuales, un "movimiento caótico", un área iniciada por Poincaré). Pero mostró que grandes familias de órbitas permanecerían atrapadas eternamente.

  Las órbitas Stoermer concernían más a las partículas con más altas energías. En general no se asemejaban a espirales ordenadas debido a que cubrían grandes secciones del campo magnético y en el curso de cada excursión alrededor del campo, la intensidad y la dirección del campo no permanece igual, sino que varía apreciablemente. Después, cuando se descubrieron los rayos cósmicos, se concluyó que la teoría de Stoermer se aplicaba muy bien a su movimiento: pero no resolvía el misterio de la aurora polar, como esperaba Stoermer.

  En esos tiempos los científicos se preguntaban si las partículas atrapadas eran las causantes de las misteriosa "corriente de anillo" responsable de las tormentas magnéticas, pero era difícil imaginar un proceso que crease suficientes iones o electrones de la energía de los rayos cósmicos para mantenerlos. Solo en 1957  S. Fred Singer (U. de Maryland) propuso que la corriente de anillo podía ser transportada por partículas de mucha menor energía, inyectadas de alguna forma en las órbitas atrapadas durante las tormentas magnéticas. Al año siguiente se descubrió el cinturón de radiación -- que existía siempre, no solo durante las tormentas -- y paulatinamente se fueron desvelando los detalles.

  Entretanto, en los años 1950, comienzan los esfuerzos para confinar el plasma en campos magnéticos en el laboratorio para producir la fusión nuclear controlada, y en el proceso se desarrolló y amplió grandemente las teoría de las partículas atrapadas.

Proyecto Argus

    Quizá la historia más interesante de esa época atañe a Nicholas Christofilos, un ingeniero de ascensores griego, cuyo pasatiempo era el estudio del movimiento de las partículas en campos magnéticos. Prosiguiendo esos estudios descubrió el "strong focusing" ("enfoque intenso") un método muy usado para controlar los haces de iones energéticos en los aceleradores. Comunicó esto a los científicos en los EE.UU., pero recibió poca atención hasta que el principio fue redescubierto independientemente. Luego vino él a los EE.UU. y trabajó el resto de su carrera sobre los diversos aspectos del atrapado magnético de partículas, en particular el atrapado de plasma en dispositivos dedicados a la liberación de energía de fusión (vea plasma).

 Propuso a la US Air Force en octubre de 1957, como un gran experimento, lanzar cohetes con pequeñas bombas atómicas y detonarlas en el espacio. Las bombas atómicas producen gran cantidad de electrones energéticos y  Christofilos esperaba que esos electrones fuesen atrapados en el campo magnético como un cinturón de radiación artificial.

  Ese proyecto, dirigido en secreto y denominado en clave Argus, recibió un gran empuje cuando los Explorers 1 y 3 de Van Allen descubrieron el cinturón de radiación natural y fue llevado a cabo sobre el Atlántico Sur en agosto y septiembre de 1958. Se explotaron tres bombas fuera de la atmósfera sobre una región desierta del océano y el público solo se enteró de eso durante el año siguiente, cuando se publicaron muchos estudios científicos relacionados.
 

  Van Allen besando el
  Explorer 4 en su 
  despedida.
    Las bombas produjeron muchos electrones de alta energía. Algunos de ellos fueron guiados hacia arriba a lo largo de las líneas magnéticas, siguieron esas líneas a través del ecuador y cayeron de nuevo cerca de las islas Azores, donde fue vista una notable aurora artificial, en una región donde nunca antes se habían visto auroras. Otros electrones se reflejaron sobre la atmósfera y permanecieron atrapados, creando cinturones de radiación artificiales que decayeron paulatinamente en el transcurso de semanas. Los nuevos cinturones fueron estudiados por el satélite Explorer 4, construido para este propósito por el grupo de Van Allen en la Universidad de Iowa.

Lectura adicional:

  • Sobre el trabajo de Birkeland y Stoermer, con referencias a otra fuentes: David P. Stern, "A Brief History of Magnetospheric Physics before the Spaceflight Era", Reviews of Geophysics, vol. 27, 103-114, 1989.

  • Una colección de artículos sobre el proyecto "Argus" aparecidos en el Journal of Geophysical Research, vol. 64, Agosto de 1959. Esta encabezado por una revisión por N. Christofilos (p. 869) y un informe sobre las observaciones del Explorer 4, por James Van Allen, Carl McIlwain y George Ludwig (p. 877).

  • La nota necrológica de Nicholas Christofilos apareció en Physics Today, en enero de 1973.

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Author and Curator:   Dr. David P. Stern
     Escríbele al Dr.Stern: (English, please):   education("at" symbol)phy6.org

Co-author: Dr. Mauricio Peredo


Spanish translation by J. Méndez

Ultima actualización 10 de Noviembre de 2004, traducir 21 December 2000